bài giảng hóa đại cương Can bang HH

Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân bằng hóa học a...  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

IV CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỒNG THỂ

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

a Khái niệm về phản ứng thuận nghịch

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

MnO

3 2 KCl 3 O KClO

- Phản ứng thuận nghịch (phản ứng không hoàn toàn): ↔

b.

Trạng thái cân bằng hóa học

2

2 H I t

t k C C

v 

2

HI n

n k C

v 

 Ở thời điểm ban đầu:  = 0: , max

2

2 I 

H C

CHI = 0  vn = 0

 Theo thời gian:  : 

2

2, I

H C

CHI   vn 

v

vt

vt = vn

vn

0 cb 

 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 đồng thể

a Hằng số cân bằng

aA + bB ↔ cC + dD

- Khi trạng thái đạt cân bằng: vt = vn

d D

c C n

b B

a A

t C C k C C

b B

a A

d D

c C n

t C

C C

C C k

k

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

- Cân bằng giữa các chất khí

   

     

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

p K RT



- Đối với phản ứng dị thể:

Ví dụ: CaCO3(r) ↔ CaO(r) + CO2(k)

3

2

CaCO

CO CaO p

p

p p

3

CO CaO

CaCO p

p

p K

b Hằng số cân bằng và các đại lượng nhiệt động

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

aA + bB ↔ cC + dD

 Khí:

























B

a A

d D

c C T

T

p p

p p RT

G

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: GT = 0

cb

b B

a A

d D

c C

p p

p p RT























 Lỏng:





















B

a A

d D

c C T

T

C C

C C RT

G

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: GT = 0

cb

b B

a A

d D

c C

C C

C C RT

G0 ln    ln



















 Kp = f(bc pư, T) Kp  f(C)



p

p

K

Q RT

Q RT K

RT

G   ln  ln  ln



b B

a A

d D

c C

p p

p p

Q 

-Nếu Q < Kp → G < 0 → phản ứng xảy ra theo chiều thuận -Nếu Q > Kp → G > 0 → phản ứng xảy ra theo chiều nghịch -Nếu Q = Kp → G = 0 → hệ đạt trạng thái cân bằng

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

2 NO2(k) ↔ N2O4(k)

ở 298oK khi biết H pu 58 , 040kJ và S 0 176 , 6J /K

298pu

0



298

0 298

0

298       

185 , 2 298 314

, 8

3 , 5412 ln

0













RT

G

K p

9 , 8

2

2

4



NO

O N p

p

p K

 Quan hệ của K p với nhiệt độ và nhiệt phản ứng

o o

o H T S

G    



G  ln









































2 1

0 1

2

0 2

0 2

0 1

0 1

1 1 ln

ln ln

T T R

H K

K

R

S RT

H K

R

S RT

H K

Ví dụ: NO(k) + ½ O2(k) ↔ NO2(k) Tính Kp ở 3250C?

Biết: H0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.106 ở 250C

02 14

64 2 ln

437 ,

11 598

1 298

1 314

, 8

56484 10

3 , 1 ln

1 1

ln

325 325

6 598

598 298

0

298 598













































K K

K

T T

R

H K

K

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa học

a Sự dịch chuyển cân bằng

aA + bB ↔ cC + dD

Khi hệ đạt trạng thái cb: ln ln   0

















B

a A

d D

c C p

T

p p

p p K

RT G

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

→ sự chuyển dịch cân bằng.

b Ảnh hưởng của nồng độ tới sự dịch chuyển cân bằng

H2 + I2 ↔ 2HI v t ktCH2CI2

2

HI n

v 

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

Nếu tăng nồng độ H2 lên 2 lần: vt kt 2 CH CI 2 vt

2 2

n

→ Khi C H2 ↑ vt↑ → cb chuyển dịch theo chiều thuận → C H2 ↓

c Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự dịch chuyển cân bằng

R

S RT

H

0 0

Nếu H0 > 0: khi T ↑ → K↑ → cb: thuận (thu nhiệt)

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

Nếu H0 < 0: khi T ↑ → K↓ → cb: nghịch (thu nhiệt)

Khi ↓T → K ↑ → cb: thuận (tỏa nhiệt).

Ví dụ: 2NO2(k) ↔ N2O4(k), H0 = -58,04kJ

Màu nâu không màu

Ở 298K ta có Kp = 8,9 → p N2O4 8,9p NO2 2

02 , 76

331 , 4 145 , 2 186 , 2 ln

145 , 2 ) 10 07 , 3

( 314 , 8

58040 9

, 8 ln

273

1 298

1 ln

273 273

4 273

0

298 273







































K K

K

R

H K

K

Ở 273K p N2O4 76,02p NO2 2

d Ảnh hưởng của áp suất tới sự dịch chuyển cân bằng

Ví dụ: 2NO(k)+ O2(k) ↔ 2NO2(k) 2

2

O NO t

t k C C

v 

2 2

NO n

n k C

v 

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

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













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

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

e Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier (1850 – 1936, người Pháp).

Phát biể u: 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.

Nguyên lý Le Chatelier không những chỉ đúng cho các phản ứng hóa học mà còn đúng cho mọi quá trình bất kỳ khác

V CÂN BẰNG PHA

1 Các khái niệm

 Cân bằng pha nghiên cứu trạng thái cân bằng giữa các thành phần đồng thể của hệ, nghĩa là nghiên cứu cân bằng giữa các pha trong hệ

 Cấu tử của hệ là những chất riêng biệt cần thiết để tạo thành hệ

Ví dụ: Hệ nước đá – nước lỏng – hơi nước: hệ một cấu tử

- Dung dịch nước muối: hệ hai cấu tử: muối và nước

- Đối với những hệ có xảy ra tương tác hóa học thì số cấu tử bằng số chất

 Số bậc tự do (biến độ) của hệ cân bằng là số thông số của hệ cân bằng có thể tự do thay đổi

mà không thay đổi số và bản chất các pha của hệ

Những thông số đó là C, T và p

Ví dụ : - Hệ gồm hơi nước co

2 Quy tắc pha (Gibbs – 1876): Số bậc tự do của hệ cân bằng

mà chỉ chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngoài

là nhiệt độ và áp suất, bằng số cấu tử của hệ trừ số pha cộng với 2

T = C – P + 2

Ví dụ 1: Hệ gồm 1 pha hơi nước có số bậc tự do T = 1 – 1 +

2 = 2 là nhiệt độ và áp suất

- Hệ cân bằng gồn 2 pha hơi nước và nước lỏng có số bậc tự do T

= 1 – 2 + 2 = 1 là nhiệt độ hoặc áp suất

- Hệ cân bằng gồm 3 pha: nước đá – nước lỏng – hơi nước Số bậc

tự do T = 1 – 3 + 2 = 0 Nghĩa là không có một thông số bên ngoài

có thể thay đổi mà không làm thay đổi số pha và bản chất pha: cân bằng trên chỉ tồn tại ở T = 0,00990C và p = 0,006atm

Ví dụ 2: Trong hệ cân bằng: CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k)

Số cấu tử C = 3 – 1 = 2

Số bậc tự do T = 2 – 3 + 2 = 1

Ta có mối liên hệ giữa hằng số cân bằng và thế đẳng áp:

2 CO

0 RT ln P

 Nếu chọn T xác định thì P riêng phần của H2O phải có giá trị nhất định và ngược lại

3 Các hệ một cấu tử : C = const, có 2 biến số T và P

Trên giản đồ trạng thái của nước:

- Ở các vùng I, II, III: số pha P = 1, số bậc tự do T = 1 – 1 + 2

= 2 (nhị biến): nhiệt độ và áp suất

P(atm)

B

C

Nước lỏng (II)

Hơi nước (III)

Nước đá (I) 1

0,00

6

A

O

- Các đường cong OA, OB, OC biểu diễn cân bằng của từng cặp pha: nước đá – hơi nước, nước đá – nước lỏng, nước lỏng – hơi nước Số bậc tự do: T = 1 – 2 + 2 = 1: OA biểu diễn sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa của nước đá vào nhiệt độ; OB biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ hóa rắn của nước vào áp suất bên ngoài; OC biểu diễn sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa của nước lỏng biểu diễn sự phụ thuộc áp suất hơi bão hòa của nước đá vào nhiệt độ vào nhiệt độ

4 Các hệ hai cấu tử