Bài 38. Cân bằng hoá học

Chương III: cân bằng hoá học
1.Một số khái niệm
1.1. Phản ứng thuận nghịch và bất thuận nghịch
a. Phản ứng thuận nghịch
H2 + I2 2HI N2 + 3H2 2NH3
Định nghĩa pư thuận nghịch?
Ta có: Xét PƯ giữa H2 và I2 người ta đã xác định đc H2 + I2 2HI
1mol 1mol 0
CB 0,2mol 0,2mol 1,6mol
H2 + I2 2HI
t= 0 0 0 2mol
CB 0,2mol 0,2mol 1,6mol

V?y d?c di?m c?a pu l� gỡ?
- D?c di?m
+ ? cựng di?u ki?n ph?n ?ng (nhi?t d?, p) thỡ ph?n ?ng cú th? x?y ra theo hai chi?u: thu?n v� ngh?ch
+ Dự xu?t phỏt t? cỏc ch?t d?u hay cỏc s?n ph?m , cu?i cựng ngu?i ta cung thu du?c m?t k?t qu?: t? l? s? mol gi?a cỏc ch?t l� c? d?nh.
+ N?u di?u ki?n ph?n ?ng khụng thay d?i thỡ dự kộo d�i ph?n ?ng d?n bao lõu tr?ng thỏi cu?i cựng c?a h? v?n gi? nguyờn. Ngu?i ta núi h? ph?n ?ng dó d?t d?n tr?ng thỏi cõn b?ng hoỏ h?c
T?i sao ngu?i ta núi CB hoỏ h?c l� CB d?ng?
b.Phản ứng bất thuận nghịch
VD KClO3 KCl + 3/2O2
- L� PU ch? x?y ra theo 1 chi?u nh?t d?nh ? dk xỏc d?nh, lu?ng s?n ph?m vu?t xa nhi?u v?i ch?t tham gia
- Trong q.trỡnh PU th�nh ph?n c?a h? thay d?i nờn ?G c?a h? thay d?i, gi?m d?n khi d?t giỏ tr? c?c ti?u thỡ h? cõn b?ng v� ?G= 0
- V?y d?c di?m c?a pu BTN l�?
- D?c di?m
+ Ch? x?y ra theo m?t chi?u nh?t d?nh: cỏc ch?t d?u ph?n ?ng v?i nhau d? t?o th�nh s?n ph?m.
+ Ph?n ?ng du?c th?c hi?n dờn cựng nghia l� cho d?n khi t?t c? cỏc ch?t ph?n ?ng d?u chuy?n th�nh s?n ph?m

1.2 Cân bằng bền - Cân bằng giả bền
a. Cân bằng bền:
-Một hệ hoá học ở CBB khi hệ không thay đổi theo thời gian, trạng thái của nó không thay đổi nhiều khi có tác động nhỏ bên ngoài và nếu quay trở lại trạng thái ban đầu thỡ thành phần của hệ được khôi phục
b.Cân bằng giả bền:
- ở nhiệt độ thường, hỗn hợp H2 và Cl2 ở TTCB, thay đổi về P không ảnh hưởng nhưng nếu thay đổi rất nhỏ về ở dạng photon thỡ PƯ trở nên mãnh liệt
1.3 Cân bằng hoá học
a.Cân bằng đồng thể
Vớ d?: CH3COOH + CH3OH CH3COOCH3 + H2O
- Th? n�o l� cõn b?ng d?ng th??
L� cõn b?ng ch? g?m 1 pha
b.Cân bằng dị thể
CaCO3(r) CaO(r) + CO2(k)
V?y CB d? th? l� gỡ?
L� cõn b?ng du?c hỡnh th�nh do s? t?n t?i c?a cỏc pha khỏc nhau ti?p xỳc v?i nhau v� nh?ng pha n�y cú kh? nang bi?n d?i l?n nhau

*.Độ chuyển hóa
Số mol chất đã chuyển hoá
Số mol chất ban đầu
=
α ≤ 1
α: độ điện ly, độ thuỷ phân, độ phân huỷ
α
Ví dụ CH3COOH CH3COO- + H+
1mol CH3COOH thì có 0,05 mol bị phân ly thành ion. Vậy độ chuyển hoá ứng với độ điện ly là 5%
Phản ứng N2O4 2NO2
Nếu 1mol N2O4mà có 0,8 mol bị phân huỷ thành NO2 thì độ chuyển hoá ứng với độ phân huỷ là 80%
2. Hằng số cân bằng.Mối quan hệ giữa KP, KC, KN, Kn
2.1. Hằng số cân bằng
a.KP
- Xét phản ứng giữa các khí lý tưởng thực hiện ở T,P = const
aA + bB cC + dD
- Gọi PA, PB, PC, PD lần lượt là áp suất riêng phần của A,B,C,D ở nhiệt độ T
- Sự biến đổi entanpi tự do của phản ứng trên là


∆G = ∑GTTcuối - ∑GTTđầu
Mà Gi = G0i + RT ln Pi
∆G = c(G0C + RT ln PC) + d(G0D + RT ln PD)
a(G0A + RT ln PA) - b(G0B + RT lnPB)
= (cG0C + dG0D - aG0A - bG0B) + RT(c ln PC + d ln PD - a ln PA - b ln PB)
= ∆G0 + RT ln
= ∆G0 + RT ln Kp
KP: Hằng số cân bằng
P: đơn vị là atm
Khi hệ cân bằng thì giá trị ∆G bằng bao nhiêu?
→ Kp =
G0 là biến đổi năng lượng tự do ở điều kiện chuẩn(J/mol)
R = 8,314J/mol.K
∆G = 0 → ∆G0 = - RT ln Kp

Nếu G0 < 0 thì KP > 1 và KP càng tăng nếu G0 càng âm
- Nếu G0 > 0 thì KP < 1 và KP càng nhỏ nếu G0 càng dương
Vậy những phản ứng G0 càng dương thì càng xảy ra không trọn vẹn và lúc cân bằng nồng độ sp tương đối bé.
b. KC
- Với trường hợp dung dịch lỏng và loãng với phản ứng:
mA(dd) + nB(dd) = pC(dd) + qD(dd)
-Ở trạng thái chuẩn thức thích hợp, người ta cũng chứng minh được hệ thức:
Gi = G0i + RT ln Ci
Vậy biến thiên thế đẳng áp xác định ntn?

Lúc phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì KC =?
∆G0 = - RT ln KC
→ KC =
G0 là biến đổi năng lượng tự do ở điều kiện chuẩn(J/mol)
R = 8,314J/mol.K
KC HSCB
Nồng độ có đơn vị bằng mol/l
2.2. Mối quan hệ giữa KP, KC, KN, Kn
aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)
KP là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo áp suất riêng phần của chúng.
KP =
KC là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo nồng độ mol/l của chúng.
KN là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo nồng độ phần mol của chúng.

Kn là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo số mol của chúng.
a. Mối liên hệ giữa KP và KC
Xét PU aA(k) + bB(k) cC(k) + dD(k)
- Gọi PA, PB, PC, PD lần lượt là áp suất riêng phần của các khí A, B, C, D có thể xem như khí lý tưởng lúc cân bằng nA, nB, nC, nD, lần lượt là số mol của A, B, C, D hiện diện trong thể tích V của hệ phản ứng (bình phản ứng) lúc cân bằng ở nhiệt độ T (oK)

- Ta có

- Các khí được coi là lý tưởng, dựa vào PT trạng thái khí và biểu thức tính KP hãy tìm mối liên hệ giữa KP và KC?
KP =
KP
∆n = ? - Giá trị R?
∆n =c +d – a – b = Tống số mol khí sản phẩm - tổng số mol khí chất tham gia.
VD FeO(r) + CO(k) Fe(r) + CO2(k).
Phản ứng này có:
A. n = 1-1 = 0; B. n = 2-2 = 0;
C. n > 0; D. n < 0.
Cho phản ứng Cgr + CO2(k) 2CO. Vậy biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa KP và KC ở 298K là?
b. Mối liên hệ giữa KP và KN
- Xét PU aA(k) + bB(k) = cC(k) + dD(k)
- Gọi P là áp suất của hỗn hợp khí lúc cân bằng; NC,ND, NA , NB lần lượt là nồng độ phần mol của A, B, C, D lúc cân bằng



KP =
c. Mối liên hệ giữa KP và Kn
Qua nghiên cứu KP, KC, KN, Kn các em hãy nhận xét: các hằng số cân bằng này phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Khi nào thì KP = KC = KN = Kn?
Đối với pu dị thể thì hằng số cân bằng phụ thuộc vào pha nào?
Ví dụ
CaCO3(r)  CaO(r) + CO2(k)
NH4Cl (r) )  HCl(k) + NH3(k)
HCl (k) + NH 3(k) )  NH4Cl (r)



K?t lu?n:
* Kc phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia. Đối với một phản ứng cho sẵn nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
* KP ph? thu?c v�o b?n ch?t ch?t ph?n ?ng v� nhi?t d?. ?G0 c�ng âm, KP c�ng l?n v� ngu?c l?i.
* KN ngoài sự phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia và nhiệt độ còn phụ thuộc vào áp suất chung của hỗn hợp lúc cân bằng.
* Kn ngoài sự phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia và nhiệt độ còn phụ thuộc vào áp suất chung, s? mol c?a hỗn hợp lúc cân bằng
* Khi tổng số phần tử khí của hai vế bằng nhau (?n = 0) thỡ
Kp = Kc = KN = Kn. Trong trường hợp này đối với một phản ứng đã cho, các HSCB chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
*Dối với PƯ dị thể, trạng thái CB chỉ phụ thu?c v�o pha khí ho?c l?ng, không ph? thu?c v�o pha rắn
1)N2(K) + O2(K) 2NO(K)
2) N2O4(K) 2NO2 (K)
3) 2CO(K) + O2(K) 2CO2(K)
4) 3H2(K) + N2(K) 2NH3(K)
5) H2(K) + Cl2(K) 2HCl(K)
Phản ứng nào có KP = KC= KN?
3. Một số phương pháp xác định hằng số cân bằng
a. Xác định hằng số cân bằng theo nồng độ (hoặc áp suất )của các chất ở lúc cân bằng.
- Nếu biết nồng độ ban đầu của các chất tham gia thì chỉ cần xác định nồng độ của một trong các chất tham gia hoặc tạo thành ở lúc cân bằng là đủ để tính được nồng độ của các chất còn lại ở lúc cân bằng bằng cách dựa vào phương trình phản ứng.
Ví dụ: Trộn 2 mol HCOOH với 2 mol CH3OH lúc cân bằng thì thấy 75% axit đã chuyển thành este. Tính hệ số cân bằng Kp của phản ứng. Giả sử V của hệ không thay đổi.
Giải
HCOOH + CH3OH HCOOCH3 + H2O
t = 0 2mol 2mol 0 0
Phản ứng 1,5mol 1,5mol 1,5mol 1,5mol
Cân bằng 0,5mol 0,5mol 1,5mol 1,5mol
C 0,5/V 0,5/V 1,5/V 1,5/V
Với V là thể tích chung của hỗn hợp
Vì ∆n = 0 → Kp = Kc = 9
b. Xác định hằng số cân bằng dựa vào các dữ kiện nhiệt động hoá học

Tính ∆G0 → Kp
Yêu cầu: các dữ kiện để xác định ∆G0T phải chính xác
vì chỉ sai đi một lượng nhỏ việc xác định Kp sẽ mắc sai
số lớn
Mà ở đây ∆G0 có thể xác định dựa vào các dữ kiện
như ∆H0 , ∆S0 của phản ứng: ∆G0 = ∆H0 - T∆S0
Ở 298K cho biết
∆H0298,S (KJ/mol) S0298 (KJ/mol)
H2(K) 130,59
CO2(K) -393,51 214,64
CO(K) -110,52 197,91
H2OK -241,83 188,72
H2(K) + CO2(K) H2O(K) + CO (K)
Ví dụ: Tính hằng số cân bằng của phản ứng
Giải


∆H0298 = -241,83 - 110,52 + 393,51 = - 41,16 KJ

∆S0298 = 183,72 + 197,91 - 214,64 - 130,59 = 42,4 J/K

∆G0 = ∆H0298 - 298.∆S0298 = 41160 - 298.42,4 = - 53795,2 J

H2(K) + CO2(K) H2O(K) + CO (K)
c. Xác định hằng số cân bằng của phản ứng theo hệ số cân bằng của các phản ứng đã biết

Ví dụ: Tính hằng số cân bằng của phản ứng
Cgr + H2Oh COK + H2K (*) KP
Cho biết
(1) COK + H2Oh
CO2K + H2K Kp(1)
(2) CO2K + Cgr
2 COK Kp(2)
Giải
∆G01 = - RT ln Kp1
∆G02 = -RT ln Kp2
Phương trình (*) = (1) + (2) → ∆G0 = ∆G01 + ∆G02
- RT ln Kp = - RT ln Kp1 - RT ln Kp2
→ ln Kp = ln Kp1. Kp2
→ Kp = Kp1. Kp2
4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng
4.1. Ảnh hưởng của nồng độ
Xét phản ứng aA + bB cC + dD

Khi cân bằng const ở T = const
Như vậy khi 1 hệ đang ở trạng thái CB mà ta thay đổi nồng độ của chất thì CB chuyển dịch theo chiều chống lại sự tăng đó.
Ví dụ: xét PƯ thuận nghịch sau
FeCl3 + 3KSCN Fe(SCN)3 + 3KCl
Không màu màu đỏ máu
Khi CB được thiết lập thì ta có
- nếu thêm FeCl3 hoặc KSCN vào hỗn hợp lúc cb thì ta thấy cb bị phá vỡ và chuyển dịch sang bên phải làm cho màu đỏ của dd đậm lên hay nói cách khác là làm tăng nồng độ các chất sp.
- Nếu thêm KCl vào hỗn hợp lúc cb thì ta thấy cb bị phá vỡ và chuyển dịch sang bên trái làm cho màu đỏ của dd giảm dần hay nói cách khác là làm tăng nồng độ các chất tg.


Khi trộn 1 mol C2H5OH với 1mol CH3COOH và để cho phản ứng xảy ra ỏ nhiệt độ thường. Lúc cân bằng thấy có 2/3 mol este đã tạo thành. Nếu người ta trộn 3 mol C2H5OH với 1mol CH3COOH thì bao nhiêu mol este sẽ tạo thành lúc cân bằng. Cho rằng thể tích của hệ là cố định.
4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
∆G0 = ∆H0 - T∆S0 = RT ln KP

- khi tăng nhiệt độ thì cân bằng đều chuyển dịch về phía phản ứng nào?
- Nếu cho hằng số cân bằng ở nhiệt độ T1 và hiệu ứng nhiệt của phản ứng thì ta có thể tìm được hằng số cân bằng ở nhiệt độ T2
VD CO(k) + H2O(k) CO2(k) + H2(k)
Ở 690K bằng 10. Tính hằng số cân bằng của phản ứng này ở 800K cho biết ∆H0 của phản ứng trong khoảng nhiệt độ này là - 42676,8 J/mol
4.3. Ảnh hưởng của P
aA + bB → cC + dD
∆G = ∆G0 + RT ln KP = ∆G0 + RT ln KN.P∆n
ở T = const thì ∆G chỉ phụ thuộc vào P
Như vậy khi ta tăng áp suất của hệ thì cb chuyển dịch theo chiều nào?và ngược lại?
4.4. Nguyên lý chuyển dịch cb Lơ satơlie
- Nếu một hệ đang ở trạng thái cân bằng mà ta thay đổi một trong các thông số trạng thái của hệ (P, T, C) thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.

4.5. ?ng d?ng c?a hi?n tu?ng chuy?n d?ch cb
Vớ d? 1:
H2(K) + Cl2(K) 2HCl(K) ?H = -92,31 KJ
D? d?t du?c hi?u su?t t?ng h?p HCl l?n nh?t thỡ ta nờn
+ Tang n?ng d? ch?t tham gia or gi?m n?ng d? HCl
+ gi?m nhi?t d?.
+ ỏp su?t khụng ?nh hu?ng vỡ ?n = 0
Vớ d? 2 2N2(K) + 3H2(K) 2NH3(K) ?H = -46,2KJ
D? d?t du?c hi?u su?t t?ng h?p NH3 l?n nh?t thỡ ta nờn
+ tang n?ng d? ch?t tham gia or gi?m n?ng d? NH3
+ gi?m nhi?t d?.
+ gi?m ỏp su?t