CHƯƠNG III : CÂN BẰNG HOÁ HỌC docx

Nếu các đk bên ngoài thay đổi thì cb bị dịch chuyển theo  + Cbhh là một cân bằng động: nghĩa là ở đk thông số của hệ tuy không thay đổi theo tg nhưng pư vẫn xảy ra, nhưng tốc độ phản ứn

CHƯƠNG III : CÂN BẰNG HOÁ HỌC

Chương trước xét nguyên lí II dùng để xác định chiều hướng của pưhh và chiều tự diễn biến của một phản ứng hóa học Ở chương này, chúng ta sẽ xét ứng dụng của nguyên lí II đối với phản ứng hóa học

Về nguyên tắc, mọi pưhh đều là pư

thuận nghịch Tuy nhiên nếu vận tốc

của một chiều nào đó lớn hơn hẳn

vận tốc của chiều kia thì pư được

xem như 1 chiều

+ Tuỳ theo cách tiến hành mà một

pưhh có thể là một quá trình thuận

nghịch hay bất thuận nghịch

3.1 Khái niệm về cân bằng

Một phản ứng hh xảy ra theo một chiều xác định nào đó và sẽ đạt tới TTCB VD: a A+b B+…g G+d D+…

Trong đó: A tác dụng với B tạo ra G và

D gọi là pư thuận có vận tốc vT; G tác dụng với D tạo ra A và B gọi là pư nghịch có vận tốc vn

+ Khiv T =v N thì pư đạt tới TTCBHH

*Các tính chất của cbhh:

 + Không thay đổi theo tgian Nếu các

đk bên ngoài thay đổi thì cb bị dịch chuyển theo

 + Cbhh là một cân bằng động: nghĩa

là ở đk thông số của hệ tuy không thay đổi theo tg nhưng pư vẫn xảy ra, nhưng tốc độ phản ứng thuận và nghịch bằng nhau

 + Cân bằng hóa học có thể tiến hành theo hai chiều

3.2 Định luật tác dụng khối lượng và

[ ]A [ ]B = kn [ ]C [ ]D

 kt

kn = [ ]C [ ]D

[ ]A [ ]B = K

VD 1: Cho pư

N2 +O2 t C0 2NO

1mol 1mol 2mol

Tại nhiệt độ xác định nồng độ cân

Theo phương trình trên: 1mol N2

+ 1mol O2 = 2mol NO Muốn tạo

4mol NO cần 2mol N2 + 2mol O2

Với các phản ứng thuận nghịch: cân bằng sẽ đạt được khi tích số nồng độ của các chất tạo thành sau phản ứng chia cho tích số nồng độ các chất tham gia phản ứng là một hằng số tại một nhiệt độ cho trước

TQ: mA + nB pC + qD

K = [ ]C p [ ]D q

[ ]A m [ ]B nK:Hằng số cân bằng của pư thuận nghịch Nếu K lớn:pư xảy ra theo1 chiều ( thuận)

K không phụ thuộc nồng độ các chất mà phụ thuộc nhiệt độ Tại các nhiệt độ khác nhau kt và kn có các giá trị khác nhau và chỉ bằng vận tốc khi nồng độ bằng đơn

vị Khi nồng độ thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi nhưng K không đổi Do đó K chỉ phụ thuộc nhiệt độ

Nồng độ ban đầu của N2 và O2

có: x2 – 12x + 10 = 0

x1=11,1(loại); x2=0,9

Vậy tại lúc cân bằng : [CO cb = ]

g d

G D cb

Theo đl Đantơn: Pi = i

i

n.pn

 (ni là số mol chất i trong hệ; p là áp suất chung của hệ)

+ Kc =

g d

G D cb

D G

a b

n n B A

)cb Trong đó ni là số mol

khí I ở TTCB + Mối liên hệ giữa Kp và Kc : Thay pi V = ni RT vào Kp ta đƣợc:

Kp = Kc RT Trong đó

= (g+ d+…) – ( a+b+…) + Mối liên hệ giữa Kp và Kn:

3.3 Pt đẳng nhiệt của pưhh( Van’t

Hoff) và chiều của pưhh

Việc chứng minh pt này liên quan đến thế hh (đại lượng xuất hiện trong chương

II Các yếu tố ảnh hưởng của G

(đọc thêm trong giáo trình)

*ở đk T, P=const Nếu G<0 hay K’p<Kp thì pư tự xảy

ra theo chiều thuận

Nếu G>0 hay K’p> Kp thì pư tự xảy

ra theo chiều nghịch

Nếu G=0 hay K’p = Kp thì pư đạt tt cân bằng

* Ở đk T, V=const: thay Kp bằng Kc và K’p = K’c ta có tương tự:

G=-RT ln Kc + RT ln K’c

Lấy tích phân 2 vế với H không

đổi theo nhiệt dộ ta có:

2

1 ln

Để xét sự phụ thuộc của nhiệt độ tới cbhh, lấy vi phân pt đẳng nhiệt theo nhiệt

độ, trong đó, K’p không phụ thuộc vào nhiệt độ

Và dS=Q/T => Q = dU + A = dU + PdV = TdS Thay TdS vào (2) ta đƣợc:

dG=dU+PdV+VdP-dU-PdV-SdT

 dG = VdP – SdT

 (G/T)p=-S( dP=0; dT=1)

Áp suất tỉ lệ thuận với tỉ lệ các chất

trong hệ pư Khi tăng áp suất , cb sẽ

chuyển dịch theo chiều làm giảm số

mol các chất trong pư

Bt Kp cũng cho chiều tương

tự phù hợp

 ( G/T)p= - S Vậy:G=H-TS=H+T( G/T)p

Thay (1) vào đó, ta được:

G=H+TRlnK’p-RTlnKp

-RT2(lnKp/T)p (3) Mặt khác: G=-RTlnKp+RTlnK’p (4) Ghép (3) và (4) ta được:

2 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng: Khi tăng nhiệt độ của pư, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ của pư

- Phản ứng toả nhiệt: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận Ngược lại, khi giảm nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch

- Pư thu nhiệt: khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận

BÀI TẬP CHƯƠNG III

Bài 1 Cho pư: C(gr) + CO2 (k) 2COk Kp = 1,41 ở 7270C

Cho 1 mol CO2 và một lượng dư C vào trong một bình chân không kín ở

3 Ảnh hưởng của nồng độ đến chuyển dịch cân bằng:

Kc của pư xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nên khi tăng hoặc giảm đẳng nhiệt nồng độ một chất nào đó có mặt trong bt của Kc, thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía làm giảm hoặc tăng chất

đó để giữ cho Kc không đổi.Sự thêm bớt lượng chất rắn hay lỏng nguyên chất không làm cân bằng chuyển dịch

4 Ảnh hưởng của áp suất đến chuyển dịch cân bằng

Áp suất tỉ lệ thuận với số mol chất khí Dựa vào bt của Kx thấy: Khi tăng áp suất thì cb chuyển dịch về phía giảm áp suất

và ngược lại

a Thiết lập pt Kp = f(P), P là áp suất của hệ lúc cb, biết rằng lúc đầu chỉ

có NaHCO3 tt

b Cho a mol NaHCO3 vào bình chân không dung tích 22,4 l Khi cb ở 47

0C đo đƣợc P=30 mmHg Tính Kp, Kc của pƣ và số mol tối thiểu NaHCO3 cần có trong bình để đạt đƣợc áp suất 330,0 mmHg

Bài 3.Có hệ cb sau: N2O4 k 2NO2 k H0 = 57 kJ

1.Tính Kp của pƣ ở 300K,biết rằng Kp ở 320K là 0,674 và H0 là không đổi trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu

2.Xác định S0 của pƣ, coi S0 là hằng số trong khoảng 300K đến 320K Giải a 2 0

b G0 = H0 - TS0 => S0 =

H G T

=> Kp = 8,0.108

Bài 5 Cho khí H2 vào bình chân không dung tích 4,0 lít sao cho áp suất trong bình bằng 0,82at ở 527 0C Sau đó cho thêm 0,2mol khí HI vào bình Cân bằng sau đƣợc thiết lập:

c.Tính áp suất riêng phần của các khí lúc cân bằng

Giải a Vì n=0 nên áp suất của hệ lúc cân bằng bằng áp suất ban đầu

Số mol ban đầu 0,05 0 0,2

Lúc đầu, pƣ thuận diễn ra đến TTCB, sau đó cho thêm HI vào thì cân bằng bị phá vỡ và xảy ra pƣ nghịch

CHƯƠNG IV : CÂN BẰNG PHA CỦA HỆ MỘT CẤU TỬ

( 3: 2; 1) 4.1 Một số khái niệm và định nghĩa:

1 Pha:

- Khái niệm: Pha là tập hợp mọi phần đồng thể của hệ có thành phần và tính chất vật lí, hoá học giống nhau được ngăn cách với những phần đồng thể khác bởi những bề mặt phân chia

Bề mặt phân chia là những bề mặt vật lí mà khi đi qua nó có sự thay đổi đột ngột những tính chất vật lí vĩ mô nào đó của hệ

VD: Xét hệ dị thể gồm 2pha: nước lỏng và nước đá Khi đi từ nước đá sang nước lỏng qua bề mặt phân cách thì khối lượng riêng giảm

CHú ý: phân biệt pha với tt tập hợp Người ta thường nhắc đến 3 TTTH là Rắn – lỏng – khí Còn pha thì có nhiều hơn VD: Một hệ gồm benzen – nước không tan vào nhau Đó là hệ gồm hai pha lỏng Hay S có các dạng thù hình Sthoi ; S đơn tà Đó là hai pha rắn của S

2 Hợp phần: các đơn chất, hợp chất hoá học cấu tạo nên hệ gọi là hợp phần

3 Cấu tử: Là các hợp phần mà thành phần các pha trong hệ được xác định bởi nồng độ của nó Việc chọn hợp phần nào làm cấu tử phụ thuộc vào mỗi trường hợp cụ thể

VD1 Xét hệ gồm 3khí Ar; He; H2 ( không pư với nhau) Tp của hệ phải xác định bởi nồng độ của cả 3 khí một cách riêng biệt Số hợp phần=số cấu tử = 3 Số pt liên hệ q=0

VD2 Xét hệ gồm 3 khí H2; I2; HI (với

2 2

C C

C và CI2 = CH2 Như vậy chỉ cần biết 1 trong 3 nồng độ là có thể suy ra nồng độ 2 cháất còn lại do đó chỉ cần nồng độ 1chất là đủ xác định thành phần của hệ

Số hợp phần=3; Số cấu tử=1; Số pt liên hệ =2

Từ các VD trên ta suy ra quy tắc tính số cấu tử: K= R - q

Số hợp phần Số ptlh

4 Hoá thế( thế hóa học)

* Định nghĩa: Thế hoá học của cấu tử I là đạo hàm riêng của các hàm G,

F theo số mol cấu tử I khi các thông số tương ứng với các hàm đó và số mol của mọi cấu tử khác(j i) là không đổi Thường các qt được nghiên cứu trong đk T, P = const nên thế hoá học thường được đn theo hàm G

* Bt: I = ( ) , , ( )

j j i

P T n i

4.2 Điều kiện cân bằng pha

Các pha muốn cb nhau phải có các đk:

a Nhiệt độ các pha phải như nhau

b Áp suất chung trên các pha phải như nhau

c Hoá thế của mỗi cấu tử trong các pha phải = nhau

VD Xét TH tổng quát nhất: Hệ dị thể gồm K cấu tử( 1…K) và mỗi cấu

tử đều có mặt trong tất cả ( , , …, ) khác nhau Ba đk trên được viết là:

(1) T T   T ( cân bằng nhiệt)

(2) P P   P( cân bằng cơ)

4.3 Cân bằng lỏng – hơi Áp suất hơi bão hoà

1 Phương trình Clapeyron – Clausius ( chỉ áp dụng cho các quá trình

chuyển pha của chất nguyên chất có sự thu hoặc toả nhiệt và có sự thay đổi thể tích riêng hoặc thể tích mol)

Xét 1 hệ gồm 2pha  và  nằm cân bằng  

Giả sử có sự chuyển pha xảy ra ở T, P =const Nhƣ vậy đkcb pha là hoá thế của các cấu tử ở các pha phải = nhau Nhƣng hệ chỉ có một cấu tử nên hoá thế đồng nhất với thế đẳng nhiệt đẳng áp

(4-1) Là pt Clapeyron – Clausius Pt này áp

dụng nhiều trong việc khảo sát quá trình chuyển pha Cho biết sự phụ thuộc của nhiệt độ chuyển pha vào áp suất tác dụng lên hệ

2.Áp dụng pt Clapeyron – Clausius cho quá trình hoá hơi L H

a.Quá trình hoá hơi thu nhiệt Hhh > 0 => V = Vh – Vl  Vh

dT > 0 luôn đồng biến nghĩa là

Phơi chất lỏng bao giờ cũng tăng theo T

c Với đặc điểm riêng của qt hh ta tìm dạng cụ thể

Coi hơi là khí lí tưởng Vh = RT/P ( xét với 1 mol chất)

Bài 1 Tính nhiệt hoá hơi trung bình của CH4 trong khoảng nhiệt độ từ 88,2K đến 112,2K, biết rằng áp suất hơi của CH4 ở hai nhiệt độ này lần lượt là 8,0.13

và 1.0013.105 Pa

Giải lg 2

1 1 ( ) 2,303

hh

H P

8,314.112, 2.88, 2 1, 013.10

.lg (112, 2 88, 2).2,303  8.10 = 8,7 kJ/mol

Bài 2 Áp suất hơi của photgen ở t1 =9,910C bằng 804,1 mmHg và ở t2 = 1,35 0C bằng 578,8 mmHg Xác định nhiệt hoá hơi của hệ trong khoảng nhiệt độ trên

ĐS: 24,827 kJ/mol

CHƯƠNG V: ĐẠI CƯƠNG VỀ DUNG DỊCH( 6: 4; 2)

5.1 Sự hình thành dung dịch và các loại dung dịch

5.1.1.Định nghĩa: Dung dịch là hỗn hợp đồng thể của hai hay nhiều cấu tử

- dd khí – rắn: H2 trong kim loại Plađi ( do kim loại Pd hấp thụ khí

H2 – khí H2 khuếch tán vào trong kim loại và chiếm các chỗ khuyết trong hốc

* Chú ý: phân biệt chất tan và dung môi Đối với sự htan chất rắn và chất khí vào trong chất lỏng thì chất rắn và chất khí là chất tan, chất lỏng là dung môi vì chất rắn và chất khí thường hoà tan hữu hạn vào chất lỏng Khi 2 chất lỏng hoặc khí hoà tan vào nhau, thường chất nào có lượng tương đối lớn hơn là dung môi, ít hơn là chất tan VD: Không khí là 1 dd khí thì dung môi là N2; các khí khác là các chất tan

5.1.2 Quan điểm phân tử về sự hình thành dd

Tưởng tượng quá trình hình thành dd gồm ba bước:

- Bước 1: Là sự phân tách riêng rẽ các phân tử dung môi ( H1)

- Bước 2 Là sự phân tách riêng rẽ các phân tử chất tan (H2)

- Bước 3 Các phân tử dung môi và chất tan hoà trộn vào nhau.(H3) Trong 3 quá trình trên thì hai bước 1 và 2 đòi hỏi phải cung cấp năng lượng để phá lực hút giữa các phân tử và như vậy đây là quá trình thu nhiệt Ở bước 3 quá trình này có thể toả nhiệt hoặc thu nhiệt Các tiểu phân chất tan dễ dàng thay thế các phân tử dung môi trong cấu trúc dung môi phụ thuộc vào độ mạnh tương đối của 3 dạng tương tác:

- Tương tác dung môi – dung môi

- Tương tác chất tan – chất tan

- Tương tác dung môi – chất tan

Và như vậy thì nhiệt hoà tan Hht = H1 + H2 + H3

5.1.3 Các loại dung dịch :

Ở phương diện NĐH phân thành 2 loại dd: dd lí tưởng và dd thực

- Dung dịch thực: Là dd tạo thành từ các cấu tử có cấu tạo và tính chất hoá lí khác nhau nhiều Khi hình thành có kèm theo HƯN H 0 và biến thiên thể tích V0

- Dung dịch lí tưởng: Là dd được hình thành từ các cấu tử có cấu tạo và tính chất hoá lí gần giống nhau(H = 0; V = 0)

VD: Nói một cách chặt chẽ thì chỉ có hỗn hợp những đồng phân quang học, hh các đồng vị mới có thể xem là ddlis tưởng Tuy vậy trong thực tế nhiều dd thực xử sự gần như lí tưởng( VD: dd khí lí tưởng; dd lỏng vô cùng loãng…) và vì tính đơn giản của các quy luật áp dụng được đối với

dd lí tưởng nên việc khảo sát dd lí tưởng có 1 ý nghĩa quan trọng

5.2 Thành phần dung dịch :

Một khía cạnh khác khi nghiên cứu mặt định lượng của dd đó là nồng độ 5.2.1 Khái niệm nồng độ: Nồng độ dd là lượng chất tan có mặt trong một lượng đã cho của dd

Có nhiều cách biểu diễn nồng độ, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm của

nó Sau đây xét một số khía cạnh biểu thị nồng độ

5.2.2 Nồng độ phần trăm khối lượng

* ĐN: Là số gam chất tan chứa trong 100 gam dd

*.CT: % = mct 100%

mdo

Nồng độ phần trăm không có đơn vị

5.2.3 Nồng độ molal (m): Là số mol chất tan có mặt trong 1kg(1000g) dung môi

CT: m= số mol chất tan / khối lượng dung môi (kg)

VD: Để điều chế dd Na2SO4 1m , ta lấy 1mol (142 g) chất tan hoà tan vào

1000 g nước

Tuỳ thuộc vào bản chất của tương tác dung môi – chất tan mà thể tích của

dd thu được có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1000 ml

n



 ; ni là số mol các chất I trong dung dịch => X i=1 Nồng độ phần mol được sử dụng nhiều trong các biểu thức nhiệt động lực để mô tả các thuộc tính nhiệt động lực của các chất trong hệ nhiệt động

3.1 Ảnh hưởng của áp suất tới độ tan Định luật Henry

Áp suất không ảnh hưởng đến độ tan của chất lỏng và chất rắn mà chỉ ảnh hưởng đến chất khí Mối quan hệ định lượng giữa độ tan của khí và áp suất được W Henry thiết lập năm 1802

Khi hoà tan chất khí vào chất lỏng, có cân bằng sau:

Khí trên mặt chất lỏng Khí hoà tan Biểu thức của định luật Henry: C=k P =-1 P

H Trong đó

C: nồng độ mol/l của chất khí hoà tan ( độ tan)

P là áp suất của khí trên mặt chất lỏng( atm)

KH : Hằng số Henry, chỉ phụ thuộc nhiệt độ( mol/ atm.l)

VD1 Tại 250C và 1 atm, độ tan của N2 trong nước là 6,8.10-4 mol/l Xác định nồng độ N2 tan trong nước ở điều kiện khí quyển biết rằng áp suất riêng của N2 trong khí quyển là 0,78 atm

Giải Áp dụng CT của đl Henry: C= P

k H

= 1kH.P= 6,8.10-4 khi P= 1 atm

VD2 Giải thích tại sao khi mở nắp chai bia có hiện tượng sủi bọt?

TL: Khi đóng chai người ta tạo ra dd bão hoà khí CO2 dưới một áp suất lớn hơn áp suất riêng phần của CO2 trong khí quyển ( > 4.10-4 atm) Khi

mở nắp, áp suất riêng phần của CO2 trên dd giảm dần đến 4.10-4 atm thì đạt TTCB Do đó độ tan của khí CO2 giảm dần và có khí thoát ra

( Tại sao không tạo ra dd bão hoà khí CO 2 dưới áp suất bằng áp suất riêng phần của CO 2 trong khí quyển?)

VD3 Một chai nước ngọt được bão hoà bằng CO2 với P=4 atm ở 00C Sau đó chai được mở nắp để cho cân bằng với áp suất khí quyển chứa

CO2 là 4.10-4 atm ở 250C Tính nồng độ của CO2 trong nước ngọt khi mới pha chế và sau khi đạt TTCB với PCO2 trong kq

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan

a Đối với chất tan là chất rắn

Trong phần lớn trường hợp, độ tan tăng theo nhiệt độ tuy rằng không có tương quan rõ nét giữa dấu của Hht và biến thiên độ tan theo nhiệt độ