Hoa dai cuong ĐH KTCN TN

Chương 4 CÂN BẰNG HOÁ HỌC
Phản ứng thuận nghịch và bất thuận nghịch
Các loại hằng số cân bằng
Mối liên hệ giữa các hằng số cân bằng
Các yếu tố ảnh hưởng đến hằng số cân bằng
Ứng dụng của hiện tượng chuyển dịch cân bằng
Chương 4 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?
-Là PU có thể xảy ra theo hai chiều ngược nhau
Ta có: Xét PƯ giữa H2 và I2
H2 + I2 2HI
t = 0 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
b. Phản ứng bất thuận nghịch
KClO3 → KCl + 3/2O2
H2O2 → H2O + 1/2O2
- Là PƯ chỉ xảy ra theo 1 chiều nhất định ở đk xác định, lượng sản phẩm vượt xa nhiều với chất tham gia
- Đặc điểm của pư BTN là?
- Đặc điểm
+ Chỉ xảy ra theo một chiều nhất định: các chất đầu phản ứng với nhau để tạo thành sản phẩm.
+ Phản ứng được thực hiện đến cùng nghĩa là cho đến khi tất cả các chất phản ứng đều chuyển thành sản phẩm
1.2. Cân bằng hóa học
a. Cân bằng đồng thể
VD: CH3COOH + CH3OH CH3COOCH3 + H2O
Thế nào là cân bằng đồng thể?
Là cân bằng chỉ gồm 1 pha
b. Cân bằng dị thể
CaCO3(r) CaO(r) + CO2(k)
Vậy CB dị thể là gì?
Là cân bằng được hình thành do sự tồn tại của các pha khác nhau tiếp xúc với nhau và những pha này có khả năng biến đổi lẫn nhau

c. Tính chất của cân bằng hoá học
- Không thay đổi theo t.gian nếu đ.kiện bên ngoài giữ nguyên
Có tính linh động
Có tính chất động
CBHH có thể xác lập theo hai chiều
d. Độ chuyển hoá
α
=
Số mol chất đã chuyển hoá
Số mol chất ban đầu
α ≤ 1
α: độ điện ly, độ thuỷ phân, độ phân huỷ
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%
2. Hằng số cân bằng.Mối quan hệ giữa KP, KC, KN, Kn
2.1. Hằng số cân bằng
a.KP
Là hằng số cân bằng được biểu diễn theo áp suất (theo đơn vị atm) riêng phần của từng chất lúc cân bằng.
Xét phản ứng ở T, P = const
aA(k) + bB(k)  cC(k) + dD(k)


VD1: Cho phản ứng 2X + 3Y = Z + 2T. Các chất đều ở thể khí, lúc cân bằng áp suất của X, Y, Z, T lần lượt là 0,1; 0,3; 0,4 và 0,2 atm. Vậy hằng số cân bằng KP của phản ứng là bao nhiêu?
- Tính KP theo biến thiên thế đẳng áp
G = G0 + RTlnKP
Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng thì G = 0
∆G0 = - RTlnKP hay


→ Kp =
G0: biến thiên entanpi tự do ở đ.k chuẩn
R = 8,314J.mol-1.K-1
T: nhiệt độ tuyệt đối
VD2: Tính hằng số cân bằng của phản ứng:
H2(k) + CO2(k)  H2O(k) + CO(k)
Ở 298K cho biết
∆H0298,S (kJ.mol-1) S0298 (J.mol-1.K-1)
H2(K) 130,59
CO2(K) -393,51 214,64
CO(K) -110,52 197,91
H2OK -241,83 188,72

b. KC
- KC là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo nồng độ mol/l của chúng.
aA(k) + bB(k)  cC(k) + dD(k)



- VD3: Cho phản ứng 2A + B  2C. Cho biết tại trạng thái cân bằng nồng độ các chất như sau: [A] = 0,2M; [B] = 0,5M; [C] = 0,4M. Vậy hằng số cân bằng của phản ứng là
A. 8 B. 16 C. 4 D.6

c. KN
KN là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo nồng độ phần mol của chúng.



VD4: Cho phản ứng 2A + B  2C, cho biết số mol của A, B, C lúc cân bằng là 0,1; 0,2; 0,3mol. Vậy hằng số cân bằng KN của phản ứng là
27 B. 3 C. 36 D. 9
d. Kn
- là HSCB của phản ứng khi biểu diễn thành phần các chất theo số mol của chúng.



2.2. Mối quan hệ giữa KP, KC, KN, Kn
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 (coi các khí là lý tưởng), 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)
- 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
∆n =c +d – a – b = Tống số mol khí sản phẩm - tổng số mol khí chất tham gia.
R: = 0,082 lit.atm.mol-1.K-1
VD5: FeO(r) + CO(k)  Fe(r) + CO2(k). Pu này có:
A. n = 1-1 = 0; B. n = 2-2 = 0;
C. n > 0; D. n < 0.
VD6: Cho phản ứng Cgr + CO2(k)  2CO. Vậy biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa KP và KC ở 298K là?
VD7:Cho PU của các chất khí ở 250C 2A + B  2C
cho biết tại trạng thái cân bằng nồng độ các chất như sau: [A] = 0,2mol/l; [B] = 0,5mol/l, [C] = 0,4mol/l. Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng.
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 C, D, A, B, lúc cân bằng







KP =
c. Mối liên hệ giữa KP và Kn
VD8: N2O4 phân huỷ theo phản ứng N2O4(K) 2 NO2(K)
Ở 270C và 1 atm hằng số cân bằng KP = 1/6. Vậy hằng số cân bằng 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: với các pu dưới đây KP phụ thuộc vào các chất nào
CaCO3(r)  CaO(r) + CO2(k)
NH4Cl (r) )  HCl(k) + NH3(k)


Kết luận
- KC, KP phụ thuộc vào bản chất chất tham gia và nhiệt độ. Đối với một phản ứng đã cho sẵn nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
- KN ngoài sự phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia, 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, nhiệt độ còn phụ thuộc vào áp suất chung, số mol của hỗn hợp lúc cân bằng.
- Khi tổng số phân tử khí của hai vế bằng nhau thì KP = KC = KN = Kn. Trong trường hợp này các phản ứng đã cho chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
- VD9: trong các phản ứng sau phản ứng nào có KP = KC = KN = Kn
1. 2SO2(k) + O2(k)  2SO3(k)
2. N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k)
3. Fe3O4(r) + 4CO(k) 3Fe(r) + 4CO2(k)
4. Cgr + O2(k)  CO2(k)
- Đối với phản ứng dị thể, trạng thái cân bằng chỉ phụ thuộc vào pha khí hoặc lỏng, không phụ thuộc vào pha rắn.
NH4Cl(r)  HCl(k) + NH3(k)
- Ở nhiệt độ không đổi khi phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng, áp suất riêng phần và do đó nồng độ các chất không thay đổi.
Chú ý:
- Khi thiết lập HSCB bằng người ta quy ước áp suất riêng phần(nồng độ) của các chất viết ở vế phải của PTHH (các sản phẩm) đặt ở tử số, còn các chất tham gia ở mẫu số.
- Các số mũ trong biểu thức của HSCB ứng với hệ số tỉ lượng trong PTHH của phản ứng, nên phải sử dụng đúng hệ số cân bằng của phản ứng.
Ví dụ: Phản ứng giữa N2(K) và H2(K) có thể viết theo hai cách. Mỗi cách ứng với một g.trị của HSCB KP

N2(K) + 3H2(K)  2NH3(K) = 1,64.10-4

1/2N2(K) + 3/2H2(K)  NH3(K) = 1,28.10-2
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.
VD10: Trộn 2 mol HCOOH với 2 mol CH3OH lúc cân bằng thì thấy 75% axit đã chuyển thành este. Tính hằng số cân bằng KP của phản ứng. Giả sử V của hệ không thay đổi.
ĐS: 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
VD11: Cho ∆G0298,S (NH3) = -16,64 kJ/mol. Vậy phản ứng N2 + 3H2  2NH3 có KP là
A. 6,8.105 B. 6,8.10-5 C.825,7 D.170
c. Xác định hằng số cân bằng của phản ứng theo hằng số cân bằng của các phản ứng đã biết

VD12: Tính hằng số cân bằng của phản ứng
Cgr + H2Oh COK + H2K (*) KP
Cho biết
(1) COK + H2Oh
CO2K + H2K KP1
(2) CO2K + Cgr
2 COK KP2
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 thay đổi đó.
VD13: 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.
ĐS: 0,9 mol
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.


4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
∆G0 = ∆H0 - T∆S0 =- RT ln KP

- Xét phản ứng tỏa nhiệt, khi tăng nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nào?
- Khi H < 0 thì khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng nghịch tức là phản ứng thu nhiệt
- Xét phản ứng thu nhiệt, khi tăng nhiệt độ thì cân bằng chuyển dịch theo chiều nào?
- Khi H > 0 thì khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch về phía phản ứng thuận, tức là phản ứng thu nhiệt.
Như vậy, trong cả hai trường hợp khi tăng nhiệt độ thì CB đều chuyển dịch về phía PU thu nhiệt và ngược lại.
- 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
VD14: CO(K) + H2O(K) CO2(K) + H2(K)
Ở 690K hằng số cân bằng 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.
ĐS:3,59
4.3. Ảnh hưởng của áp suất
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
Xét trường hợp ∆n = 0 thì ta có P không ảnh hưởng đến CB.
Xét trường hợp ∆n > 0 thì khi ta tăng áp suất CB chuyển dịch theo chiều nghịch.
Xét trường hợp ∆n < 0 thì khi tăng áp suất CB chuyển dịch theo chiều thuận.

- 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. ứng dụng của hiện tượng chuyển dịch cb
Ví dụ 1:
H2(K) + Cl2(K) 2HCl(K) ∆H = -92,31 kJ
Để đạt được hiệu suất tổng hợp HCl lớn nhất thì ta nên
+ Tăng nồng độ chất tham gia or giảm nồng độ HCl
+ giảm nhiệt độ.
+ áp suất không ảnh hưởng vì ∆n = 0
Ví dụ 2: N2(K) + 3H2(K) 2NH3(K) ∆H = -46,2kJ
Để đạt được hiệu suất tổng hợp NH3 lớn nhất thì ta nên
+ tăng nồng độ chất tham gia hoặc giảm nồng độ NH3
+ giảm nhiệt độ.
+ tăng áp suất
Thảo luận
Câu 1: Ở 8500C phản ứng:
H2O(k) + CO(k) H2(k) + CO2(k).
phản ứng có HSCB là 1. Ở nhiệt độ đó nếu trộn 1 mol CO + 1 mol H2O + 1 mol CO2 + 2 mol H2 vào bình dung tích 10 l thì phản ứng sẽ tự xảy ra.
A. Theo chiều nghịch B. Theo chiều thuận
C. Ở trạng thái cân bằng D. Không xác định
Câu 2: Phản ứng phân huỷ Clo phân tử thành Clo nguyên tử có KC = 4. 10-4. Nồng độ Clo khi cân bằng là 0,04 mol/l. Phần trăm Clo đã bị phân huỷ là:
A. 5% B. 10%
C. 4,76% D. 9,52%
Câu 3: Hằng số cân bằng KP là đại lượng
A. Không đơn vị B. có đơn vị atm
C. Có đơn vị mol/l C. có đơn vị atm-1
Câu 4: Giả sử có các phản ứng cân bằng
A  B K = 2,0 B  C K = 0,01
Vậy giá trị K của phản ứng 2C  2A là
A. 2500 B. 50 C.25 D. 4.10-4
Câu 5: Cho phản ứng 2CO(k) + O2(k)  2CO2(k). Mối liên hệ giữa KP và KC ở 250C là
A. KP = 0,04KC B. KP = KC
C. KC = 0,04KP D. KP = 25KC
Câu 6: Xét phản ứng diễn ra trong bình kín V = 1lit N2O4(k) 2NO2. Ban đầu có 0,02mol N2O4 lúc cân bằng có 0,015mol N2O4. Vậy
A. KP = 6,67.10-3 B. KN = 6,67.10-3
C. KC = 6,67.10-3 D. KP = 6,67.10-2
Câu 7: Xét phản ứng CaCO3(r) + 2HCl  CaCl2(l) + H2O + CO2(k). Vậy hằng số cân bằng KC của pu là
A. [CO2][H2O][CaCl2]/[HCl]2.[CaCO3]
B. [CO2][H2O][CaCl2]/[HCl]2
C. [CO2][CaCl2]/[HCl]2
D. đáp án khác
Câu 8: Một bình kín 5l chứa 1mol HI(k) được đun nóng tới 8000C. K = 6,34.10-4, vậy % phân hủy của HI theo pu 2HI H2 + I2(k) là
A. 4,8% B. 3,6% C. 5,2% D,6,7%
Câu 9: Cho phản ứng 2CO(k) + O2(k)  2CO2(k) + 568,48kJ. Muốn cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận thì ta cần
A. giảm nhiệt độ, giảm áp suất, tăng nồng độ CO
B. giảm nhiệt độ, tăng áp suất, tăng nồng độ CO
C. tăng nhiệt độ, giảm áp suất, tăng nồng độ O2
D. tăng nhiệt độ, tăng áp suất, tăng nồng độ O2
Câu 10: Phản ứng 2A + 4B  3C có H <0. Coi H không phụ thuộc vào nhiệt độ, ở nhiệt độ T1 HSCB K1, ở nhiệt độ T2 HSCB là K2. Nếu T1>T2 thì
A. K1 > K2 B. K1 < K2
C. không xác định D. K1 = K2

Câu 11: Phản ứng N2 + 3H2  2NH3 có HSCB là KP1 . Vậy phản ứng 1/2N2 + 3/2H2  NH3 có HSCB
A. KP11/2 B. KP1-1/2 C. KP1 D. KP12
Câu 12: Phản ứng N2 + 3H2  2NH3 có HSCB là KP. Vậy KP phụ thuộc vào
A.nhiệt độ B.bản chất chất C.áp suất D.xúc tác
Câu 13: Phản ứng A + B  C ở T1 có HSCB là x, ở nhiệt độ T2 có HSCB là b. Nếu T1> T2 và a > b thì phản ứng là
A. Tỏa nhiệt B.thu nhiệt. C.cân bằng D. không xđ
Câu 14: Tại nhiệt độ xác định pu 2A(k)  B(k) có HSCB là 0,25. Cho nồng độ ban đầu của A là 4M. Vậy nồng độ các chất lúc cân bằng là
A. [A] = [B] = 2M B. [A] = 2,67M; [B] = 0,67M
C.[A] = 2M; [B] = 1M D. [A] = 3,2M; [B] = 0,8M