Chuyên đề 7 cân bằng hóa học

- Cân bằng hoá học là một cân bằng động, nghĩa là tại trạng thái cân bằng, các phản ứng thuận và nghịch vẫn xảy ra nhưng V t V n nên không nhận thấy sự biến đổi trong hệ và nồng độ các

CHUYÊN ĐỀ

A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO

I PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU (BẤT THUẬN NGHỊCH)

Là phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều từ trái sang phải

2KClO MnO t 2KCl 3O

    Trong cùng điều kiện trên, KCl và O không thể phản ứng được với nhau tái 2

tạo lại KClO3

II PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH

Là phản ứng xảy ra theo hai chiều ngược nhau (được biểu diễn bằng hai mũi tên

ngược nhau  )

Ví dụ: Cl2H O2  HCl HClO

Ở điều kiện thường Cl2 phản ứng với H2O tạo thành HCl và HClO, đồng thời HCl và HClO sinh ra cũng phản ứng với nhau tạo lại Cl2 và H2O

III CÂN BẰNG HÓA HỌC

Là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch

Xét phản ứng thuận nghịch:

aA bB  cC dD

Tốc độ của phản ứng thuận: [ ] [ ]a b b

V k A B

Tốc độ của phản ứng nghịch: Vn k [C] [D]n c d

Ban đầu tốc độ của phản ứng thuận giảm dần theo thời gian vì [A], [B] giảm, đồng thời và tăng dần

vì [C], [D] tăng Tới một lúc nào đó: V t V n ta có cân bằng hóa học

Hằng số cân bằng:

n

k [C] [D]

V V k [A] [B] k [C] [D] K

k [A] [B]

Vì ,k k không đổi (ở nhiệt độ không đổi) nên K t n c không đổi và được gọi là hằng số cân bằng (nồng độ) Điều đó có nghĩa là Kc không phụ thuộc vào nồng độ của các chất A, B, C, D

Đối với chất khí, ngoài cách biểu diễn Kc, người ta còn biểu diễn hằng số cân bằng theo áp suất Kp

P P K

P P





 Trong đó: P P P và P là áp suất riêng phần của các chất khí C, D, A và B C, , D A B

Ví dụ:

2 2 3

2SO (k) O (k) Æ2SO (k)

2

2 2

SO 3

P SO



Lưu ý: -Giá trị của hằng số cân bằng K phụ thuộc vào hệ số của phương trình cân bằng:

Ví dụ:

2 2

2 4

NO

N O (k) 2NO (k) K

N O

 Nếu ta viết:

2

2

2 4

NO 1/ 2N O (k) NO (k) K

N O





 Ở cùng nhiệt độ KC K C2



K = (K')? - Hằng số cân bằng của một phản ứng nhất định (đã cân bằng) chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ

- Đối với các cân bằng dị thể rắn – lỏng, rắn - khí thì nồng độ các chất rắn coi như không đổi và không đa vào hằng số cân bằng

CaCO (r) CaO(r) CO (k)O800 C, K CO 4.10 mol.l 

Æ

- Quan hệ giữa K và K đối với các chất khí: C P

Thay giá trị i

n RT

V

  vào biểu thức K ta có: P

c d (a h)

[C RT) ([D] RT) C D

(| A | RT) ([B] RT) [A] [B

[ ] [ ]

]

  

∣

C

K K (RT) n

P



  với n là hiệu của tổng hệ số tỉ lượng của sản phẩm và tổng hệ số tỉ

lượng của các chất phản ứng Nếu  n 0 thì K P K C

- Cân bằng hoá học là một cân bằng động, nghĩa là tại trạng thái cân bằng, các phản ứng thuận và nghịch

vẫn xảy ra nhưng V t V n nên không nhận thấy sự biến đổi trong hệ và nồng độ các chất không đổi

IV, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HÓA HỌC

1 Ảnh hưởng của nồng độ: Khi tăng hoặc giảm nồng độ của một chất trong cân

bằng, thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm hoặc tăng

nồng độ của chất đó

Chú ý: Trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất) thì việc tăng, hoặc

giảm khối lượng của chất rắn không làm chuyển dịch cân bằng

Ví dụ: Xét hệ cân bằng sau trong bình kín ở nhiệt độ không đổi

 * 2

C(r) CO (k)  2CO(k)

Khi phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng nồng độ CO2 (hoặc giảm nồng độ CO) thì cân bằng

sẽ dịch chuyển theo chiều thuận Nếu ta chỉ tăng hoặc giảm khối lượng C thì cân bằng không chuyển dịch

2 Ảnh hưởng của áp suất: Khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng

thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác dụng của việc tăng hay giảm áp suất đó Nghĩa là, nếu tăng áp suất thì cân bằng sẽ chuyên dịch theo chiều làm giảm số mol khí và ngược lại Chẳng hạn, trong phản ứng

(*), nếu ta giảm áp suất của hệ thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thuận

Chú ý: Nếu phản ứng có số mol khí tham gia ở hai vế của phương trình hoá học

bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí tham gia thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng

Ví dụ: H (k) I (k)2  2  2HI(k)

2

NaOH( ) HCl( )l  l  NaCl( ) H O( )l  l

3 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt

AH 0 Khi giảm nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng tỏa nhiệt AH 0

Ví dụ: N (k) 3H (k)2  2  2NH (k) H3  46,19kJ.

Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, vì vậy một trong những biện pháp để thu

được nhiều NH3 là giảm nhiệt độ

Chú ý: Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần

bằng nhau Do vậy, chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng nhanh chóng được thiết lập, không ảnh hưởng đến việc chuyển dịch cân bằng hoá học

Nguyên lí Lơ Sa - tơ – li –ê: Một phản ứng đang ở trạng thái cân bằng chịu một tác động từ bên ngoài

như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ, thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó

5 Năng lượng tự do Gipxơ và hằng số cân bằng

Xét phản ứng tổng quát:

bB dD  eE fF  (5.1)

Biến thiên thế đăng áp được tính như sau:

Trong đó G là thế đẳng áp hay hàm Gipxơ của 1 mol chất khảo sát trong hệ tại áp suất P xác định ( G

được gọi là thế đẳng áp mol riêng phần)

Nếu xét ở điều kiện chuẩn: 1 mol chất nguyên chất tại 1 atm cho toàn bộ các chất thì ta có:

e

Biểu thức liên hệ G hay G với hóa thế, kết hợp (5.2) với (5.3) ta sẽ có phương trình: 0

e f

a a

a a

 

   

  (5.4) Khi phản ứng (5.1) đạt trạng thái cân bằng thì:

c f

a

a a

a a



 



(5.5) Thay K cho K ta được: C a

0

C

G RT ln K

Với các phản ứng ở pha khí, ta có:

p 0

G RT ln K

Tóm lại:

0

G RTInK 2,303RTIgK

6 Các ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Cho 8 gam lá Al vào một cốc đựng dung dịch H2SO4 3M (dư) ở nhiệt độ thường Nếu giữ nguyên các điều kiện khác, chỉ biến đổi một trong các điều kiện sau đây thì tốc độ phản ứng biến đổi như thế nào (tăng lên, giảm xuống hay không đổi)?

a) Thay 8 gam nhôm lá bằng 8 gam bột nhôm

b) Thay dung dịch F2SO4 3M bằng dung dịch H2SO4 2M

c) Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 400C)

d) Dùng thể tích dung dịch H2SO4 3M gấp đôi ban đầu

Giải

Phương trình hóa học của phản ứng:

2Al 3H SO  Al SO 3H 

a) Tốc độ phản ứng tăng vì diện tích tiếp xúc giữa nhôm và axit H2SO4 tăng

b) Tốc độ phản ứng giảm vì khi giảm nồng độ axit H2SO4 thì tốc độ va chạm giữa các phân tử chất phản ứng giảm

c) Tốc độ phản ứng tăng vì khi tăng nhiệt độ thì tần số va chạm giữa các phân tử chất phản ứng tăng d) Tốc độ phản ứng không đổi vì khi dùng thể tích dung dịch H2SO4 3M gấp đôi thì nồng độ axit vẫn không thay đổi

Ví dụ 2: Xét cân bằng sau trong một bình kín:

CaCO (r) CaO(r) CO (k) H 178KJ

Ở 8200C hằng số cân bằng KC 4, 28.103

a) Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt ?

b) Khi phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, nếu biến đổi một trong những điều kiện sau đây thì hằng số cân bằng K biến đổi như thế nào ? Giải thích C

• Giảm nhiệt độ của phản ứng xuống

• Thêm khí CO2 vào

• Tăng dung tích của bình phản ứng lên

•Lấy bớt một lượng CaCO3 ra

Giải

CaCO (r) CaO(r) CO (k) H 178KJ a) Phản ứng thu nhiệt vì H 0

b) KC CO2

• Khi giảm nhiệt độ của phản ứng xuống thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều tỏa nhiệt)

để đến trạng thái cân bằng mới và ở trạng thái cân bằng mới này thì nồng độ CO2 giảm => KC giảm

• Khi thêm khí CO2 vào  Nồng độ CO2 tăng  Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận nhưng ở trạng thái cân bằng mới nồng độ CO2 không thay đổi  KC không đổi

• Khi tăng dung tích của bình phản ứng lên  Áp suất của hệ giảm nồng độ CO2 giảm)  Cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận làm tăng nồng độ CO2 nhưng chỉ tăng đến khi bằng nồng độ CO2 trước khi tăng dung tích của bình lên thì dừng lại và cân bằng được thiết lập  KC không đổi

•Lấy bớt một lượng CaCO3 ra thì cân bằng không chuyển dịch  Kc không đổi

Ví dụ 3: Cho 0,1 mol CO tác dụng với 0,15 mol H2 trong bình có dung tích 1 lít, ở nhiệt độ cao, xảy ra phản ứng: CO(k) 2H (k) 2  CH OH(k)3 Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì

CH OH3  0,05mol

Tính hằng số cân bằng KC của phản ứng trên

Giải





 2

[CO] 0,1 0,05 0,05M; H 0,15 0,1 0,05M

C 2

0,05

0,05.0,05

Ví dụ 4: Cho 1 mol CH3COOH và 2 mol C2H5OH vào bình cầu và tạo điều kiện để phản ứng xảy ra, giả

sử thể tích của hỗn hợp là 1 lít

4 0 2

H SO dac

t

   



Hiệu suất của phản ứng trên là

Giải

4 0 2

H SO dac

t

   



2

1, 2 0, 693( 69,3%) (1 )(2 )

C

h

Ví dụ 5: Cho cân bằng sau trong bình kín:

2NO (k) N O (k) (màu nâu đỏ) (không màu)

Biết khi hạ nhiệt độ của bình thì màu nâu nhạt dần Phản ứng thuận có

A H 0, phản ứng tỏa nhiệt B H 0, phản ứng tỏa nhiệt

C  I 0, phản ứng thu nhiệt D H 0, phản ứng tỏa nhiệt

Giải

Khi hạ nhiệt độ của bình thì màu nâu nhạt dần tức là nồng độ NO2 giảm và nồng độ N2O4 tăng Cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận để làm tăng nhiệt độ của môi trường lên hay nói cách khác phản ứng thuận tỏa nhiệt ( H 0)   Đáp án B

Ví dụ 6: Cho phản ứng sau: 2SO (k) O (k)2  2  2SO (k); H 03  

Để cân bằng trên chuyển dịch theo chiều thuận thì: (1) tăng nhiệt độ, (2) tăng áp suất, (3) hạ nhiệt độ, (4) dùng xúc tác là V2O3, (5) Giảm nồng độ SO3 Biện pháp đúng là

A 1, 2,5 B 2, 3, 5 C 1, 2, 3, 4, 5 D 2, 3, 4, 5

Giải

2SO (k) O (k)  2SO (k); H 0  (1) Tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt (chiều nghịch vì H 0)

(2) Tăng áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm số mol khí (chiều thuận)

(3) Hạ nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều toả nhiệt (chiều thuận)

(4) Dùng chất xúc tác cân bằng không chuyển dịch và chất xúc tác làm tăng tốc độ | phản ứng thuận và nghịch lên với số lần bằng nhau

(5) Giảm nồng độ SO3 cân bằng chuyển dịch theo chiều làm tăng nồng độ SO3 (chiều thuận)

Ví dụ 7: Cho cân bằng hoá học: H (k) I (k)2  2  2HI(k); H 0 

Cân bằng không bị chuyển dịch khi

A.Giảm nồng độ III B Tăng nồng độ H

C Tăng nhiệt độ của hệ D Giảm áp suất chung của hệ

Giải

Vì tổng số mol khí ở hai vế bằng nhau nên sự thay đổi áp suất chung của hệ không làm cân bằng chuyển dịch  Đáp án D

Ví dụ 8: Cho 5,6 gam CO và 5,4 gam H2O vào một bình kín dung tích không đổi 10 lít

Nung nóng bình một thời gian ở 8300C để hệ đạt đến trạng thái cân bằng:

CO(k) H O(k)  CO (k) H (k) (hằng số cân bằng K  ) Nồng độ cân bằng của CO, H C 1 2O lần lượt là

A 0,08 0,18M và M B 0,018 0,008M và M

C 0,012 0,024M và M D 0,008 0,018M và M

Giải

2

CO(k) H O(k)  CO (k) H (k) K 1

2

C

2

[CO] H O (0,02 x) (0.03 x)



] 0,02 0,012 0,008M; O 0, 03 0,012 0,018M Ðáp án D

Ví dụ 9: Phản ứng điều chế NH : N (k) 33 2  H2(k) 2NH (k)3 có hằng số cân bằng tại 5000C là

p

K 1,5.10 atm 

 Nếu hỗn hợp đầu có N2 và H2 theo tỷ lệ mol 1:3 Hãy tính xem có bao nhiêu phần trăm hỗn hợp ban đầu đã chuyển thành NH3, nếu thực hiện ở 500 atm

Giải

a) N23H2 2NH3

2 3 2

2

5

H

P

NH N



P P H2 P N2P NH3  2

P H2 3P N2  3

(2) (3)  P4P N ,P NH , P N 0, 25 P P NH

P H2, 0,75 P P NH3

3

2 NH

P K

0, 25 P P (0,75) P P

Gọi P NH3 là x Khi 3 2

P 500atm 1, 26.10 x 2, 26x 315 0

3

x 152atm PNH

Gọi a là %N2 đã chuyển hoá thành NH3

N 3H  2NH Ban đầu: 1 3

Phản ứng : a 3a 2a Cân bằng 1-a 3(1-a) 2a

Cùng nhiệt độ, thể tích: 2 152 0, 4662( 46,62%)

a

a



Ví dụ 10: 18,4 gam N2O4 được đặt trong một bình chân không thể tích 5,9 lít ở

270C và áp suất lúc cân bằng là 1 atm Cùng lượng N2O4 như trên nhưng ở 1100C, áp suất cân bằng 1 atm đạt được thể tích là 12,14 lít Tính độ phân huỷ N2O4 ở 27 0C và 1100C

Giải

Từ cân bằng: N O2 4 2NO2

t = tcb 1  2 n 1 

Ở cùng nhiệt độ, thể tích: P cb P0(1)

- Ở 270C: 01 1

18, 4 0,082(273 27)

0,834atm

nRT P

V



1 cb

0

1

P

- Ở 1100C: 02 2

18, 4 0,082(273 110)

0,517 atm

nRT P

V



2

0

1

cb

P

Ví dụ 11: Hỗn hợp gồm 1 mol H2 và 1 mol I2 được đốt nóng trong bình phản ứng có thể tích 30 lít đến nhiệt độ 4700C Cho phản ứng:

H (k) I (k)  2HI(k) có K 50 Tính:

a) Số mol I2 còn lại khi cân bằng thiết lập

b) Áp suất tổng cộng trong bình phản ứng

c) Áp suất riêng của I2 và HI trong hỗn hợp cân bằng

d) Nếu đưa tiếp vào hỗn hợp cân bằng 1 mol H2 Hãy xác định số mol H2 còn lại chưa phản ứng

Giải

a) Gọi x là số mol H2 đã phản ứng ta có:

2

(2 )

50 0,78mol (1

[ ]

)



Số mol I2 còn lại sau phản ứng là 0,22 mol

b) 2.0,082.743 4,1 atm

30

nRT

P

V

c) P2 0, 22.0,082.743 0, 45atm

30

1,56.0,082.743

3.17atm 30

HI

d)

2

(2 )

(1 )(2 )

x

  Số mol I2 còn lại là 0,07 mol

Ví dụ 12: Sunfuryl địclorua SO2Cl2 là hoá chất phổ biến trong phản ứng clo hoá tại 3500C, 2 atm phản ứng:

SO Cl (k) SO (k) Cl (k)  1

Có K  p 50

a) Hãy cho biết đơn vị của trị số đó và giải thích hằng số cân bằng Kp này có phải có đơn vị như vậy b) Tính phần trăm thể tích khí SO2Cl2 còn lại khi (1) đạt trạng thái cân bằng ở điều kiện đã cho c) Ban đầu dùng 150 mol SO2Cl2 (k), tính số mol Cl2 (k) thu được khi (1) đạt trạng thái cân bằng

Giải

a) Gọi số mol SO2Cl2 ban đầu là 1; Độ phân li là x Ta có:

SO Cl (k) SO (k) Cl (k)  1

2 2 2

2

SO Cl (atm)

P (atm) P (atm)

P

P



b) Vì các khí đều là khí lí tưởng nên P i P x i  3

Mà: i i

i

n x

n





Ở đây: nSO2 nCl2  x; ni  1 x

p

Số mol SO2Cl2 còn lại 1 x0,0194 mol

Do đó SO2Cl2 chiếm 0,0194,100% 0,98%

Cách khác: SO Cl (k)2 2  SO (k) Cl (k)2  2  1

2

2

P

P

P



Ở cùng điều kiện nhiệt độ và thể tích:

2 2

SO Cl

P P

Ví dụ 13: Xét phản ứng: 2NO (k)2  N O (k)2 4

a) Xác định G0 và Kp của phản ứng này ở 250C

b) Xác định G0 và Kp của phản ứng nghịch:

N O (k) 2NO (k) c) Xác định 0

G

 và K đối với phản ứng thuận được biểu diễn dưới dạng: p

1

NO (k) N O (k)

2

 Cho biết: G0N2 4O 97,82kJ, mol ; G1 0NO2 51,30kJ mol1

Giải

a) G0 G0N O2 4  2 G0NO2 97,82 2.51,30 4,78KJ

4780

2.303.8314.298

p

K 6,88

b) G10 G0 4,78KJ; Kpl Kp 1 0,146

1

2

Ví dụ 14: Khi đốt nóng 1 mol hơi nước dưới áp suất 1 atm, người ta giả thiết rằng hơi nước bị phân huỷ

thành H2 và O2, cả 3 khí đều là lí tưởng Tính giá trị của hằng số cân bằng K ở 1500K và 2000K Biết P

rằng phần mol của hiđro lúc cân bằng tương ứng là 1.92.10 và 6,00.10 4  4

Giả thiết rằng biến thiên entanpi của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng từ 1500K đến 2000K Tính H

Giải

Phương trình phân huỷ nước:

1

2

H

t = tcb: 1 - x x 0,5

• Ở 1500K: 2 1,92.10 4 1,92.10 4

1 0,5

H

x

x



6 (1500 )

(0,5 )

1,88 10

K



• Ở 2000K:

2

H ,

1

6,00.10 6.10

1 0,5

x



5 (2000 )

.(0,5 )

1, 04.10

K



Ta có: 2

1





Ví dụ 15: Khi đun nóng đến nhiệt độ cao PCl; bị phân huỷ theo phương trình:

PCl (k) PCl (k) Cl (k)

1 Cho m gam PCl5 vào một bình dung tích V, đun nóng bình đến nhiệt độ T (K) để xảy ra phản ứng phân

li PCl5 Sau khi đạt tới cân bằng áp suất trong bình bằng P Hãy thiết lập biểu thức Kp theo độ phân li a và

áp suất P Thiết lập biểu thức Kp theo  , m và V

2 Trong thí nghiệm thực hiện ở nhiệt độ T, người ta cho 83,3 gam PCl5 vào bình dung tích V1 Sau khi

đạt trạng thái cân bằng đo được P = 2,700 atm Hỗn hợp khí trong bình có tỉ khối so với hiđro bằng

68,826 Tính  và Kp

3 Trong thí nghiệm 2 giữ nguyên lượng PCl5 và nhiệt độ như ở thí nghiệm V1 nhưng thay dung tích là V2

thì đo được áp suất cân bằng là 0,500 atm Tính tỉ số V V 2/ 1

4 Trong thí nghiệm 3 giữ nguyên lượng PCl5 và dung tích bình V1 như ở thí nghiệm 1 nhưng hạ nhiệt độ của bình tới T3 0,9T1 thì đo được áp suất cân bằng là 1,944 atm Tính Kp và  Từ đó cho biết phản ứng phân li PClý thu nhiệt hay tỏa nhiệt Cho Cl 35, 453; P30,974;H 1,008; các khí đều là khí lí tưởng

1 Tìm hiểu thức K Kp c

PCl (k) PCl (k) Cl (k)

Tổng số mol khí lúc cân bằng: a x n 

Độ phân li x

a

  ; Khối lượng mol:

5 30.974 5.35.453 208, 239(g / mol)

PCl

3

PC1

M 30.974 3.35, 453 137.333(g / mol) 

2

C1

M 70.906(g / mol)

5

PCl

n

208, 293

 

• Tính Kp:

Áp suất riêng phần lúc cân bằng của mỗi khí:

5

PCl

a x

a x





 ; PCl3 Cl2

x

a x



1 s

pC1 C1

PCl

a x P a x

2

2

1

x a

x a





 

 

 



 

  

 

• Tính K C:

n

K K (RT)

n a x a(1 )

2

2 Thí nghiệm 1: nPC1 5 0, 4mol

hh

M 68,826.2, 016 138, 753gam / mol

Tổng số mol khí lúc cân bằng:

83,30

138, 753

• Tim Kp tại nhiệt độ T 1

1

1

(0,5)





3 Thí nghiệm 2: - Giữ nguyên nhiệt độ  Kp không đổi

- Giữ nguyên số mol PCl5 ban đầu  a 0, 4 mol

- Áp suất cân bằng P2 = 0,5 atm



Tổng số mol khí lúc cân bằng:

2 1 2 0.4(1 0,802) 0.721mol