Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 4: Cân bằng hóa học

Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 4: Cân bằng hóa học cung cấp cho người học các kiến thức: Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng hóa học, hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của phản ứng hóa học, các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo.

IV CÂN BẰNG HÓA HỌC

1 Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân

bằng hóa học

2 Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của

phản ứng hóa học

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa

học

1 Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng hóa học

a Khái niệm về phản ứng thuận nghịch

b Trạng thái cân bằng hóa học

a Khái niệm về phản ứng thuận nghịch

• Phản ứng một chiều (phản ứng hoàn toàn): 

• Phản ứng thuận nghịch (phản ứng không hoàn toàn): ⇌

b Trạng thái cân bằng hóa học

H2 + I2 = 2HI

2

2 H I

t

t k C C

v =

2

HI n

n k C

v =

Ở thời điểm ban đầu:  = 0: C H2 ,C I2 = max  vt = max

CHI = 0  vn = 0

Theo thời gian: :   vt 

2

2 , I

C

CHI   vn 

vt = vn

cb  0

v

vt

vn

Nhận xét về đặc điểm của phản ứng thuận nghịch:

• Ở cùng đk, pư có thể xảy ra theo cả chiều thuận và nghịch

• Kết quả pư không phụ thuộc vào hướng đi tới

• Nếu điều kiện phản ứng không thay đổi thì dù kéo dài phản ứng đến bao lâu, trạng thái cuối cùng của hệ vẫn giữa

nguyên: trạng thái cân bằng hóa học

• Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái cân bằng động

• Trạng thái cân bằng ứng với G = 0

2 Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của phản ứng hóa học

a Hằng số cân bằng

b Hằng số cân bằng và các đại lượng

nhiệt động

a Hằng số cân bằng

aA + bB ↔ cC + dD

• Khi trạng thái đạt cân bằng: vt = vn

• K – hằng số ở nhiệt độ xác định: hằng số cân bằng

• Cân bằng giữa các chất khí

• Đối với phản ứng dị thể:

Ví dụ: CaCO3(r) ⇌ CaO(r) + CO2(k)

→

d D

c C n

b B

a A

b B

a A

d D

c C n

t C

C C

C C k

k

   

c d a b

b B

a A

d D

c C b

B

a A

d D

c C

b B

a A

d D

c C

C C

C C RT

C RT C

RT C RT C p

p

p p

-  n C

3

2

CaCO

CO CaO p

p

p

p

K =

2

3

CO CaO

CaCO p

p

p K

K =  =

b Hằng số cân bằng và các đại lng nhiệt động

• Quan hệ giữa hằng số cân bằng và độ thay đổi thế đẳng áp

Khí

aA + bB ⇌ cC + dD

















 +

D

=

D

b B

a A

d D

c C T

T

p p

p

p RT

G

G 0 ln

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0

p cb

b B

a A

d D

c C

p p

p p RT

G0 ln  = - ln













-= D

Lỏng

















 +

D

=

B

a A

d D

c C T

T

C C

C

C RT

G

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0

C cb

b B

a A

d D

c C

C C

C

C RT

G0 ln  = - ln













-= D

 Kp = f(bc pư, T) Kp  f(C)

p

K

Q RT

Q RT

K RT

G = - ln + ln = ln

D

b B

a A

d D

c C

p p

p

p

Q =

• Nếu Q < Kp → DG < 0 → phản ứng xảy ra theo chiều thuận

• Nếu Q > Kp → DG > 0 → phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

• Nếu Q = Kp → DG = 0 → hệ đạt trạng thái cân bằng

Ví dụ: Tính hằng số cân bằng của phản ứng:

2 NO2(k) ↔ N2O4(k)

ở 298K khi biết

Giải:

K J và

kJ

H2980 pu = - 58 , 040 D S0298pu = - 176 , 6 / D

-5412.3J 176,6

298 58040

D -D

=

DG2980 H2980 T S2980

185 ,

2 298

314 ,

8

3 ,

5412 ln

0

=



=

D

-=

RT

G

2

4 2

=

=

NO

O N p

p p K

Quan hệ của Kp với nhiệt độ và nhiệt phản ứng

o o

o

S T H

D

p

o

K RT

G = - ln D

















-D

=

2 1

0

1

ln

T T

R

H K

K

D +

D

-=

0

2

0 2

ln

R

S RT

H K

D +

D

-=

0

1

0 1

ln

R

S RT

H K

Ví dụ

NO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k) Tính Kp ở 3250C?

• Biết: DH0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.106 ở 250C

02 14

325 =

K

64 2

ln K325 =

437 ,

11 598

1 298

1 314

, 8

56484 10

3 , 1

-









-=

K

1

1 ln

598 298

0

298

598













-D

=

T T

R

H K

K

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng

hóa học

a Sự dịch chuyển cân bằng

b Ảnh hưởng của nồng độ tới sự dịch

chuyển cân bằng

c Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự dịch

chuyển cân bằng

d Ảnh hưởng của áp suất tới sự dịch

chuyển cân bằng

e Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le

Chatelier (1850 – 1936, người Pháp).

a Sự dịch chuyển cân bằng

aA + bB ⇌ cC + dD

• Khi hệ đạt trạng thái cb:

• Nếu p, C, T… thay đổi → DGT  0 → hệ  cb → vt  vn → Phản ứng xảy ra cho đến khi hệ đạt trạng thái cb mới

→ sự chuyển dịch cân bằng.

0 ln













-=

B

a A

d D

c C p

T

p p

p

p K

RT G

b Ảnh hưởng của C tới sự dịch chuyển cb

• H2 + I2 ⇌ 2HI

• Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt = vn

• Nếu tăng nồng độ H2 lên 2 lần:

• → Khi ↑ vt↑ → cb chuyển dịch theo chiều thuận → ↓

2

2 I H

t

t k C C

v =

2

HI n

v =

t I

H t

2 2

'

=

=

n

n v

2

H

C

2

H

C

c Ảnh hưởng của T tới sự dịch chuyển cb

• Nếu DH0 > 0: khi T ↑ → K↑ → cb: thuận (thu nhiệt)

Khi T↓ → K ↓ → cb: nghịch (tỏa nhiệt).

• Nếu DH0 < 0: Khi T↑ → K↓ → cb: nghịch (thu nhiệt)

Khi T↓ → K ↑ → cb: thuận (tỏa nhiệt).

R

S RT

H

0 0

Ví dụ

2NO2(k) ⇌ N2O4(k), DH0 = -58,04kJ Màu nâu không màu

• Ở 298K ta có Kp = 8,9 → 2

2 4

2O 8 , 9 NO

2 4

02 , 76

273 =

K

331 ,

4 145

, 2 186

, 2

145 ,

2 )

10 07 , 3

( 314

, 8

58040 9

, 8

273

1 298

1 ln

0

298

273













-D

=

R

H K

K

d Ảnh hưởng của p tới sự dịch chuyển cb

Ví dụ: 2NO(k)+ O2(k) ⇌ 2NO2(k)

• Khi tăng P lên 2 lần nồng độ các chất đều tăng gấp đôi

• P↑ 2 lần → cb: phải → tạo thêm NO2 → ∑n ↓ → P↓

• P↓ 2 lần → cb: trái → tạo thêm NO và O2 → ∑n ↑ → P↑

2

2

O NO t

t k C C

v =

2

2

NO n

v =

n n

t O

NO t

O NO

t t

v C

k C

k v

v C

C k C

C k

v

4 4

2

8

8 2

2

2 2

'

2 2

'

2 2

2 2

=

=

=

=

=

=

e Nguyên lý chuyển dịch cb Le Chatelier

Phát biểu: Một hệ đang ở trạng thái cân bằng mà ta thay đổi một trong các thông số trạng thái của hệ (nồng độ, nhiệt độ,

áp suất) thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.