Chuong9 cân bằng hóa học

PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH TRẠNG THÁI CÂN BẰNGKhái niệm phản ứng thuận nghịch  Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều: Tạo sản phẩm và sản phẩm phân hủy thành tác chất.. • C

Chương 9

CÂN BẰNG HÓA HỌC

PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

Khái niệm phản ứng thuận nghịch

 Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều: Tạo sản phẩm và sản phẩm phân hủy thành tác chất Thực tế, đa số đều là phản ứng thuận nghịch.

 Đặc điểm là bao giờ trong hệ cũng cùng tồn tại tác chất và sản phẩm.

• Xét chất không màu khi làm lạnh N2O4 Ở nhiệtđộ phòng nó bị phân hủy thành NO2 màu nâu:

N2O4(k)  2NO2(k) (khi t tăng)

• Sau một thời gian, màu ngừng thay đổi và ta cóhỗn hợp của N2O4 và NO2

• Cân bằng hóa học của một hệ xác định là điểm

mà tại đó nồng độ của tất cả các cấu tử không đổinữa

• Cân bằng hóa học xảy ra khi phản ứng thuận và phản ứng nghịch bằng nhau về tốc độ phản ứng.

• Sử dụng mô hình tương tác cho cân bằng hóa

học:

• Lúc bắt đầu phản ứng, không có phân tử NO2 nàophản ứng ngược lại (2NO2(k)  N2O4(k)).

• Chỉ có sản phẩm NO2 được tạo thành.

• Khi lượng NO2 đủ lớn, bắt đầu có sự tạo thành N2O4từ 2 phân tử NO2 tương tác với nhau

• Tức là phản ứng nghịch sẽ xảy ra và gia tăng tốc độ theo sự gia tăng sản phẩm tạo thành.

• Điểm mà tại đó tốc độ của sự phân hủy:

N2O4(k)  2NO2(k)

bằng với tốc độ của sự nhị hợp (dimerization):

2NO2(g)  N2O4(g).

là cân bằng động học

• Gọi là cân bằng động là bởi vì phản ứng thực tế khôngdừng lại, chỉ có điều tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độphản ứng nghịch

Cân bằng động học

• Khi đạt cân bằng, cứ bao nhiêu N2O4 phân hủy tạo NO2thì cũng có bấy nhiêu NO2 phản ứng tạo N2O4:

• Mũi tên đôi chứng tỏ cân bằng động

Phản ứng thuận: A  B VT = k T[A]

Dù đi từ phía nào để đến trạng thái cân bằng thì trạng thái này cũng chỉ là một mà thôi.

Cân bằng bị chuyển dịch nếu tác động vào hệ.

Điều kiện trạng thái cân bằng G = 0.

N2(k) + 3H2 (k)  2NH3 (k)  2NH3 (k)  N2(k) + 3H2 (k)

HẰNG SỐ CÂN BẰNG

 Cho phản ứng tổng quát trong pha khí:

aA (k) + bB (k)  cC (k) + dD (k) Vận tốc phản ứng:

K P

P

P P k

k

b B

a A

d D

c C

N

Hằng số cân bằng, phụ thuộc bản chất phản ứng,nhiệt độ và không phụ thuộc nồng độ

Với một phản ứng trong dung dịch:

Trong đó CX là hoạt độ (hay nồng độ trong dung dịchloãng) của chất X

b B

a A

d D

c C

C C

C C

K 

Định luật tác dụng khối lượng

“Khi một hệ đồng thể đạt đến cân bằng thì tích nồng độ của các sản phẩm phản ứng chia tích nồng độ các chất phản ứng - với số mũ tương ứng là hệ số tỉ lượng – luôn là một hằng số ở điều kiện nhiệt độ nhất định.”

 Liên hệ giữa KP và KC:

Trong một phản ứng ở pha khí, liên hệ này được diễn tả như sau:

Tính chất của hằng số cân bằng

• K dựa trên áp suất riêng phần của khí, hoạt độ

(hay nồng độ mol) của tác chất và sản phẩm tại vị trí cân bằng.

• K có thứ nguyên, nhưng thường thì bị bỏ qua.

• Hằng số cân bằng diễn tả tỉ lệ sản phẩm so với tác

chất.

• K>>1 tức là sản phẩm chiếm ưu thế.

• K<<1 tức là tác chất chiếm ưu thế.

 Hằng số cân bằng theo chiều thuận bằng nghịch đảohằng số cân bằng theo chiều nghịch.

số cân bằng tại 1 điều kiện nào đó là:

 Thì hằng số cân bằng của phản ứng theo chiềunghịch lại là: 2NO2(g) N2O4(g)

N2O4(g) 2NO2(g)

46 6

1 155

.

0

2 NO

O N

4 2

2

O N

2 NO





P P

K eq

 Hằng số cân bằng bội:

 Ví dụ phản ứng:

Thì phản ứng:

là bình phương của hằng số cân bằng ở trên

Quy ước: Khi viết hằng số cân bằng thì viết chonhững tương tác nguyên đơn giản nhất Tức là viếtcho các hệ số tỉ lượng tối giản

N2O4(g) 2NO2(g)

2N2O4(g) 4NO2(g) 2

O N

4 NO

4 2

2

O N

2 NO

P P

K 

• Khi các tác chất và sản phẩm cùng pha ta có cân bằng đồng thể.

• Nếu một hay nhiều tác chất hoặc sản phẩm ở phakhác nhau ta có cân bằng dị thể

• Nồng độ của chất rắn Cr và chất lỏng tinh khiết bằng tỉtrọng d [m/V] chia cho khối lượng mol mM[m/mol].

Cr = d/mM, [m/V]/[m/mol] = [mol/V]

• Cả d và mM đều không đổi  Nồng độ chất rắn vàlỏng tinh khiết là hằng số

• Với phản ứng phân huỷ CaCO3:

• Keq/const bây giờ đặt bằng K, vậy KC = [CO2] haydùng liên hệ KC và KP, ta có KP = P[CO2]

]CO[

constant]

CO

[]CaCO[

CaO]

[

2

2 3

CÁC VÍ DỤ TÍNH K

 Ơû 472 o, hỗn hợp tại cân bằng của phản ứng

dưới đây có 0.1207 M H2, 0.0402 M N2, và

0.00272 M NH3 Tính hằng số cân bằng KCvà KP

Bài 1: Khí HI được cho vào bình kín ở 425 o C, phản ứng phân huỷ xảy ra như sau:

2HI (k) H2(k) + I2(k).

a/ Lúc cân bằng, ta có [HI] = 3.35*10 -3M; [H2] = 4.79*10 -4M;

[I2] = 4.79*10 -4M Tính KC và KP ở nhiệt độ này.

b/ Tính nồng độ ban đầu của HI.

Bài 2: Một hỗn hợp 0.1 mol NO, 0.05 mol H2, và 0.05 mol hơi H2O được cho vào bình 1 lit Cân bằng sau đấy được thiết lập:

2NO(g) + 2H2(g) N2(g) + 2H2O(k)

 Tính K, biết lúc cân bằng có 0.05 mol NO trong hỗn hợp.

Bài 3:Một hỗn hợp 5.10-3 mol H2 và 1.10-2 mol I2 được cho vào bình 5 lít ở 448 oC và để đạt đến cân bằng

Lúc đó nồng độ HI là 1.87 x 10-3 M Tính K ở 448 oC

cho phản ứng

H2(g) + I2(g) 2HI(g)

Bài 4: Một lượng vừa đủ NH3 hòa tan vào 5 lit nước ở 25

oC để có thể tạo thành dung dịch 0.0124 M Dung dịch

sau đấy để đạt đến cân bằng Trong dung dịch lúc nàycó nồng độ OH- là 4.64 x 10-4M Tính K của phản ứng

sau ở 25 oC

• NH3(k) + H2O(l) NH4+(dd) + OH-(dd)

Liên hệ K và G

 Biểu thức này chỉ sử dụng chính xác đối với

KP, còn KC chỉ đúng khi n = 0 hoặc phản ứng trong dung dịch.

 Ta có:

P

K ln RT S

T H

G0   0   0     2 303



0 0

0 0

0 0

S T H

K ln RT

S T H

G và

, K ln RT G

 Với K1 và K2 ứng với T1 và T2, ta có:

 Từ đây sẽ tính được KT nếu biết K ở một nhiệt độ biết trước.

R

S RT

H K

ln

0 0

0

1 2

1 1

576

4 T T

H K

K lg

RT

H RT

H K

ln K

ln

CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG NGUYÊN LÝ LE CHATELIER

 Nguyên lý Le Chatelier

 “Khi tác dụng từ ngoài

vào hệ cân bằng bằng cách

thay đổi một điều kiện nào

đó ảnh hưởng đến vị trí

cân bằng, thì vị trí cân

bằng của hệ sẽ dịch

chuyển về phía làm giảm

hiệu quả tác dụng đó.”

1850 - 1936

Ảnh hưởng của nồng độ

 Ví dụ: Xét phản ứng

H2 (k) + I2 (k)  2HI (k) Khi cân bằng a b c (mol/l)

Ta có kT.ab = kN.c 2 (VT = VN) Giả sử tăng nồng độ H2 lên 2 lần  2a, bây giờ tốc độ phản ứng thuận là

Ảnh hưởng của áp suất

 Đối với hệ phản ứng có chất khí và điều kiệnn (k)

Ảnh hưởng của nhiệt độ

 Xét một phản ứng khi đạt cân bằng, ta có:

G0 = -RTlnK = -4.576TlgK = H0 - TS0 Từ đó:

576

4 576

4

0 0

10 10

S T

Phản ứng phát nhiệt H < 0.

 Từ đó nếu T tăng thì K giảm, hay cân bằng chuyểnvề phía nghịch (tạo chất đầu), nhằm làm giảm nhiệtđi

Phản ứng thu nhiệt H > 0.

 Lúc này T tăng thì K tăng nên phản ứng chuyểntheo chiều thuận tức là chiều thu nhiệt, làm giảmnhiệt đi

Kết luận: Khi hệ đạt cân bằng, nếu tăng (hay giảm)nhiệt độ của hệ thì hệ sẽ dịch chuyển theo chiềulàm giảm (hay tăng) nhiệt độ

• Xúc tác sẽ làm giảm năng lượng hoạt hóa của phảnứng.

• Do đó xúc tác sẽ làm giảm thời gian đạt được cânbằng

• Xúc tác không làm ảnh hưởng đến thành phần và tỉlệ các cấu tử khi đạt cân bằng

Ảnh hưởng của xúc tác