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
Trang 1CÂN BẰNG HÓA HỌC
Trang 2PHẢN 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.
Trang 3• 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.
Trang 4HẰNG SỐ CÂN BẰNG
Cho phản ứng tổng quát trong pha khí:
aA (k) + bB (k) cC (k) + dD (k) Vận tốc phản ứng:
Trang 5K 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
Trang 6Định 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.”
Trang 7 Liên hệ giữa KP và KC:
Trong một phản ứng ở pha khí, liên hệ này được diễn tả như sau:
Trang 8Tính 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.
Trang 9 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
Trang 10 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
Trang 11• 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
Trang 12• 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
Trang 13CÁC 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
Trang 14Bài 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.
Trang 15Bài 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)
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)
Trang 16Liên 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
P RT lg K K
ln RT S
T H
0 0
0 0
0 0
S T H
K ln RT
S T H
G và
, K ln RT G
Trang 17 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
2
0
1
0 2
1
1 1
576
4 T T
H K
K lg
RT
H RT
H K
ln K
ln
Trang 18CHUYỂN 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
Trang 19Ảnh 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
V’T = kT.2ab > VT V’T>VN
Chiều thuận là chiều chuyển dịch của phản ứng làm giảm
H2 thêm vào (chống lại sự thay đổi nồng độ).
Kết luận:Vậy khi tăng nồng độ một chất khi hệ đạt cân bằng, hệ sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm nồng độ chất đó (và thiết lập cân bằng mới).
Trang 20Ảnh hưởng của áp suất
Đối với hệ phản ứng có chất khí và điều kiệnn (k)
Trang 22Ảnh hưởng của nhiệt độ
Xét một phản ứng khi đạt cân bằng, ta có:
G0 = -RTlnK = -4.576TlgK = H0 - TS0 Từ đó:
576
4 576
4
0 0
10 10
S T
HK
Trang 23Phản 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
Trang 24• 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