Giáo trình Hóa đại cương - Chương IX: Cân bằng hóa học - Huỳnh Kỳ Phương Hạ

Chöông 9 CAÂN BAÈNG HOÙA HOÏC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt PHAÛN ÖÙNG THUAÄN NGHÒCH TRAÏNG THAÙI CAÂN BAÈNG Khaùi nieäm phaûn öùng thuaän nghòch • Phaûn öùng thuaän nghòch laø phaûn öùng xaûy ra theo hai chieàu: Taïo saûn phaåm vaø saûn phaåm phaân huûy thaønh taùc chaát. Thöïc teá, ña soá ñeàu laø phaûn öùng thuaän nghòch. • Ñaëc ñieåm laø bao giôø trong heä cuõng cuøng toàn taïi taùc chaát vaø saûn phaåm. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Xeùt chaát khoâng maøu khi laøm laïnh N 2 O 4 . ÔÛ nhieät ñoä phoøng noù bò phaân huûy thaønh NO 2 maøu naâu: N 2 O 4 (k) 2NO 2 (k) (khi t taêng) • Sau moät thôøi gian, maøu ngöøng thay ñoåi vaø ta coù hoãn hôïp cuûa N 2 O 4 vaø NO 2 . • Caân baèng hoùa hoïc cuûa moät heä xaùc ñònh laø ñieåm maø taïi ñoù noàng ñoä cuûa taát caû caùc caáu töû khoâng ñoåi nöõa. • Caân baèng hoùa hoïc xaûy ra khi phaûn öùng thuaän vaø phaûn öùng nghòch baèng nhau veà toác ñoä phaûn öùng. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Söû duïng moâ hình töông taùc cho caân baèng hoùa hoïc: • Luùc baét ñaàu phaûn öùng, khoâng coù phaân töû NO 2 naøo phaûn öùng ngöôïc laïi (2NO 2 (k) N 2 O 4 (k)). • Chæ coù saûn phaåm NO 2 ñöôïc taïo thaønh. • Khi löôïng NO 2 ñuû lôùn, baét ñaàu coù söï taïo thaønh N 2 O 4 töø 2 phaân töû NO 2 töông taùc vôùi nhau. • Töùc laø phaûn öùng nghòch seõ xaûy ra vaø gia taêng toác ñoä theo söï gia taêng saûn phaåm taïo thaønh. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Ñieåm maø taïi ñoù toác ñoä cuûa söï phaân huûy: N 2 O 4 (k) 2NO 2 (k) baèng vôùi toác ñoä cuûa söï nhò hôïp (dimerization): 2NO 2 (g) N 2 O 4 (g). laø caân baèng ñoäng hoïc. • Goïi laø caân baèng ñoäng laø bôûi vì phaûn öùng thöïc teá khoâng döøng laïi, chæ coù ñieàu toác ñoä phaûn öùng thuaän baèng toác ñoä phaûn öùng nghòch. Caân baèng ñoäng hoïc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Khi ñaït caân baèng, cöù bao nhieâu N 2 O 4 phaân huûy taïo NO 2 thì cuõng coù baáy nhieâu NO 2 phaûn öùng taïo N 2 O 4 : • Muõi teân ñoâi chöùng toû caân baèng ñoäng. Phaûn öùng thuaän: A B V T = k T [A] Phaûn öùng nghòch: B A V N = k N [B] • Taïi caân baèng k T [A] = k N [B], hoãn hôïp phaûn öùng luùc naøy goïi laø hoãn hôïp caân baèng. N2O4(g) 2NO2(g) A B CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Duø ñi töø phía naøo ñeå ñeán traïng thaùi caân baèng thì traïng thaùi naøy cuõng chæ laø moät maø thoâi. Caân baèng bò chuyeån dòch neáu taùc ñoäng vaøo heä. Ñieàu kieän traïng thaùi caân baèng G = 0. N 2 (k) + 3H 2 (k)  2NH 3 (k) 2NH3 (k) N2(k) + 3H2 (k) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt HAÈNG SOÁ CAÂN BAÈNG • Cho phaûn öùng toång quaùt trong pha khí: aA (k) + bB (k)  cC (k) + dD (k) Vaän toác phaûn öùng: V T = k T P a A P b B V N = k N P c C P d D , P X laø aùp suaát rieâng phaàn cuûa chaát X, xaùc ñònh theo ñònh luaät Dalton. Khi V T = V N , phaûn öùng ñaït caân baèng, ruùt ra: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt K PP PP k k b B a A d D c C N T b B a A d D c C CC CC K Haèng soá caân baèng, phuï thuoäc baûn chaát phaûn öùng, nhieät ñoä vaø khoâng phuï thuoäc noàng ñoä. Vôùi moät phaûn öùng trong dung dòch: Trong ñoù C X laø hoaït ñoä (hay noàng ñoä trong dung dòch loaõng) cuûa chaát X. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ñònh luaät taùc duïng khoái löôïng – “Khi moät heä ñoàng theå ñaït ñeán caân baèng thì tích noàng ñoä cuûa caùc saûn phaåm phaûn öùng chia tích noàng ñoä caùc chaát phaûn öùng - vôùi soá muõ töông öùng laø heä soá tæ löôïng – luoân laø moät haèng soá ôû ñieàu kieän nhieät ñoä nhaát ñònh.” CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Lieân heä giöõa K P vaø K C : – Trong moät phaûn öùng ôû pha khí, lieân heä naøy ñöôïc dieãn taû nhö sau: – Vì PV = nRT – P = (n/V)RT = CRT (Vì n/V =C, noàng ñoä mol/lit). – Thay vaøo bieåu thöùc tính K P beân treân, ta coù: K P = K C (RT) n – n = (c+d)-(a+b), chæ aùp duïng cho caùc chaát khí. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tính chaát cuûa haèng soá caân baèng • K döïa treân aùp suaát rieâng phaàn cuûa khí, hoaït ñoä (hay noàng ñoä mol) cuûa taùc chaát vaø saûn phaåm taïi vò trí caân baèng. • K coù thöù nguyeân, nhöng thöôøng thì bò boû qua. • Haèng soá caân baèng dieãn taû tæ leä saûn phaåm so vôùi taùc chaát. • K>>1 töùc laø saûn phaåm chieám öu theá. • K<<1 töùc laø taùc chaát chieám öu theá. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Haèng soá caân baèng theo chieàu thuaän baèng nghòch ñaûo haèng soá caân baèng theo chieàu nghòch. • Ví duï phaûn öùng coù haèng soá caân baèng taïi 1 ñieàu kieän naøo ñoù laø: • Thì haèng soá caân baèng cuûa phaûn öùng theo chieàu nghòch laïi laø: 2NO2(g) N2O4(g) N2O4(g) 2NO2(g) 46.6 1 155.0 2 NO ON 2 42 === P P Keq 46.6 42 2 ON 2 NO == P P Keq CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Haèng soá caân baèng boäi: • Ví duï phaûn öùng: Thì phaûn öùng: laø bình phöông cuûa haèng soá caân baèng ôû treân. Quy öôùc: Khi vieát haèng soá caân baèng thì vieát cho nhöõng töông taùc nguyeân ñôn giaûn nhaát. Töùc laø vieát cho caùc heä soá tæ löôïng toái giaûn. N2O4(g) 2NO2(g) 2N2O4(g) 4NO2(g) 2 ON 4 NO 42 2 P P K 42 2 ON 2 NO P P K CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Khi caùc taùc chaát vaø saûn phaåm cuøng pha ta coù caân baèng ñoàng theå. • Neáu moät hay nhieàu taùc chaát hoaëc saûn phaåm ôû pha khaùc nhau ta coù caân baèng dò theå. • Xeùt phaûn öùng: – Thöïc nghieäm cho thaáy löôïng CO 2 khoâng phuï thuoäc vaøo löôïng CaO vaø CaCO 3 . CAÂN BAÈNG DÒ THEÅ CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Noàng ñoä cuûa chaát raén C r vaø chaát loûng tinh khieát baèng tæ troïng d [m/V] chia cho khoái löôïng mol m M [m/mol]. C r = d/m M , [m/V]/[m/mol] = [mol/V] • Caû d vaø mM ñeàu khoâng ñoåi Noàng ñoä chaát raén vaø loûng tinh khieát laø haèng soá. • Vôùi phaûn öùng phaân huyû CaCO 3 : • K eq /const baây giôø ñaët baèng K, vaäy K C = [CO 2 ] hay duøng lieân heä K C vaø K P , ta coù K P = P[CO 2 ]. ]CO[constant]CO[ ]CaCO[ CaO][ 22 3 «=«=eqK CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CAÙC VÍ DUÏ TÍNH K • Ôû 472 o, hoãn hôïp taïi caân baèng cuûa phaûn öùng döôùi ñaây coù 0.1207 M H 2 , 0.0402 M N 2 , vaø 0.00272 M NH 3. Tính haèng soá caân baèng K C vaø K P . N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Ta coù K C = [NH 3 ] 2 /([N 2 ].[H 2 ] 3 ) ÔÛ ñaây caùc khí naèm trong cuøng moät bình phaûn öùng neân tæ leä noàng ñoä cuõng laø tæ leä soá mol. Duøng lieân heä K P = K C (RT) n ñeå tính K P . CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baøi 1: Khí HI ñöôïc cho vaøo bình kín ôû 425 o C, phaûn öùng phaân huyû xaûy ra nhö sau: 2HI (k) H 2 (k) + I 2 (k). a/ Luùc caân baèng, ta coù [HI] = 3.35*10 -3 M; [H 2 ] = 4.79*10 -4 M; [I 2 ] = 4.79*10 -4 M. Tính K C vaø K P ôû nhieät ñoä naøy. b/ Tính noàng ñoä ban ñaàu cuûa HI. Baøi 2: Moät hoãn hôïp 0.1 mol NO, 0.05 mol H 2 , vaø 0.05 mol hôi H 2 O ñöôïc cho vaøo bình 1 lit. Caân baèng sau ñaáy ñöôïc thieát laäp: 2NO(g) + 2H 2 (g) N 2 (g) + 2H 2 O(k) • Tính K, bieát luùc caân baèng coù 0.05 mol NO trong hoãn hôïp. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Baøi 3:Moät hoãn hôïp 5.10-3 mol H 2 vaø 1.10-2 mol I 2 ñöôïc cho vaøo bình 5 lít ôû 448 oC vaø ñeå ñaït ñeán caân baèng. Luùc ñoù noàng ñoä HI laø 1.87 x 10-3 M. Tính K ôû 448 oC cho phaûn öùng H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) Baøi 4: Moät löôïng vöøa ñuû NH 3 hoøa tan vaøo 5 lit nöôùc ôû 25 o C ñeå coù theå taïo thaønh dung dòch 0.0124 M. Dung dòch sau ñaáy ñeå ñaït ñeán caân baèng. Trong dung dòch luùc naøy coù noàng ñoä OH - laø 4.64 x 10 -4 M. Tính K cuûa phaûn öùng sau ôû 25 o C. • NH 3 (k) + H 2 O(l) NH 4 + (dd) + OH - (dd) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Lieân heä K vaø G • Bieåu thöùc naøy chæ söû duïng chính xaùc ñoái vôùi K P , coøn K C chæ ñuùng khi n = 0 hoaëc phaûn öùng trong dung dòch. • Ta coù: PP KlgRT.KlnRTSTHG 3032 000 00 0000 STHKlnRT STHGvaø,KlnRTG CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Vôùi K 1 vaø K 2 öùng vôùi T 1 vaø T 2 , ta coù: • Töø ñaây seõ tính ñöôïc K T neáu bieát K ôû moät nhieät ñoä bieát tröôùc. R S RT H Kln 00 12 0 1 2 2 0 1 0 21 11 5764 TT. H K K lg RT H RT H KlnKln CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CHUYEÅN DÒCH CAÂN BAÈNG NGUYEÂN LYÙ LE CHATELIER • Nguyeân lyù Le Chatelier – “Khi taùc duïng töø ngoaøi vaøo heä caân baèng baèng caùch thay ñoåi moät ñieàu kieän naøo ñoù aûnh höôûng ñeán vò trí caân baèng, thì vò trí caân baèng cuûa heä seõ dòch chuyeån veà phía laøm giaûm hieäu quaû taùc duïng ñoù.” 1850 - 1936 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä • Ví duï: Xeùt phaûn öùng H 2 (k) + I 2 (k) 2HI (k) Khi caân baèng a b c (mol/l) Ta coù k T .ab = k N .c 2 (V T = V N ) Giaû söû taêng noàng ñoä H 2 leân 2 laàn 2a, baây giôø toác ñoä phaûn öùng thuaän laø V’ T = k T .2ab > V T V’ T >V N • Chieàu thuaän laø chieàu chuyeån dòch cuûa phaûn öùng laøm giaûm H 2 theâm vaøo (choáng laïi söï thay ñoåi noàng ñoä). • Keát luaän:Vaäy khi taêng noàng ñoä moät chaát khi heä ñaït caân baèng, heä seõ dòch chuyeån theo chieàu laøm giaûm noàng ñoä chaát ñoù (vaø thieát laäp caân baèng môùi). CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt AÛnh höôûng cuûa aùp suaát • Ñoái vôùi heä phaûn öùng coù chaát khí vaø ñieàu kieän n (k) 0. Xeùt heä N 2 (k) + 3H 2 (k) 2NH 3 (k) Khi caân baèng a b c (atm) k T ab 3 = k N c 2 , ôû t = const. Giaû söû ta neùn heä ñeå taêng aùp suaát toång leân 2 laàn, töùc laø aùp suaát rieâng phaàn caùc khí taêng leân 2 laàn. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ta coù: V’ N = k N (2c) 2 = 4k N c 2 = 4V N . V’ T = kT(2a)(2b) 3 = 16k N ab 3 = 16V T . Maø V T =V N V’ T > V’ N , hay phaûn öùng dòch chuyeån theo chieàu thuaän. Keát luaän: Caân baèng chuyeån dòch theo chieàu thuaän, töùc laø chieàu laøm giaûm soá mol khí cuûa heä ñeå laøm giaûm suaát heä. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä • Xeùt moät phaûn öùng khi ñaït caân baèng, ta coù: G 0 = -RTlnK = -4.576TlgK = H 0 - T S 0 . Töø ñoù: 576.4576.4 00 1010 S T H K CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phaûn öùng phaùt nhieät H < 0. • Töø ñoù neáu T taêng thì K giaûm, hay caân baèng chuyeån veà phía nghòch (taïo chaát ñaàu), nhaèm laøm giaûm nhieät ñi. Phaûn öùng thu nhieät H > 0. • Luùc naøy T taêng thì K taêng neân phaûn öùng chuyeån theo chieàu thuaän töùc laø chieàu thu nhieät, laøm giaûm nhieät ñi. Keát luaän: Khi heä ñaït caân baèng, neáu taêng (hay giaûm) nhieät ñoä cuûa heä thì heä seõ dòch chuyeån theo chieàu laøm giaûm (hay taêng) nhieät ñoä. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • Xuùc taùc seõ laøm giaûm naêng löôïng hoaït hoùa cuûa phaûn öùng. • Do ñoù xuùc taùc seõ laøm giaûm thôøi gian ñaït ñöôïc caân baèng. • Xuùc taùc khoâng laøm aûnh höôûng ñeán thaønh phaàn vaø tæ leä caùc caáu töû khi ñaït caân baèng. AÛnh höôûng cuûa xuùc taùc CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt