chương ii cân bằng hóa học

CÂN B
CÂN B
Ằ
Ằ
NG H
NG H
Ó
Ó
A H
A H
Ọ
Ọ
C
C
(Chemical Equilibrium)
(Chemical Equilibrium)
Ts. PhạmTrần Nguyên Nguyên

Chương
Chương
II
II
How to understand reactions that
can go in either direction
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 2
Chương
Chương
2
2
CÂN B
CÂN B

Ằ
Ằ
NG H
NG H
Ó
Ó
A H
A H
Ọ
Ọ
C
C
II.1 Phản ứng thuậnnghịch và cân bằng hóa học
II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng
II.3 Vậndụng hằng số cân bằng
II.4 Hằng số cân bằng củamộtsố phản ứng
A
. Phản ứng kếttủa
B. Phản ứng Acid-base
C. Phản ứng tạophức
D. Phản ứng Oxy hóa-khử
II.5 Nguyên lý Le Châtelier
II.6 Mộtsố tính toán từ hằng số cân bằng
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 3
Saline Lake Natron, Rift Valley, Tanzania
II.1 Phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học
(Reversible Reactions and Chemical Equilibria)
 Claude Berthollet (1798)
Na
Na

2
2
CO
CO
3
3
+ CaCl
+ CaCl
2
2
→
→
2
2
NaCl
NaCl
+ CaCO
+ CaCO
3
3
CaCO
CaCO
3
3
+ 2
+ 2
NaCl
NaCl
→
→

Na
Na
2
2
CO
CO
3
3
+ CaCl
+ CaCl
2
2
23 2 3
Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOU
Claude Berthollet
(1748–1822)
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 4
II.1 Phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học
(Reversible Reactions and Chemical Equilibria)
23 2 3
Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOU
Khốilượng (g)
thờigian
trạng thái
cân bằng
CaCO
3
Ca
2+
• Tạicânbằng:

lượng tác chất&
sảnphẩmgiữ
không đổi theo
thờigian
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 5
II.1 Phản ứng thuận nghịch & cân bằng hóa học
(Reversible Reactions and Chemical Equilibria)
 Waage & Guldberg (1864, Law of mass action)
• Tạicânbằng:
tốc độ phản ứng thuậnbằng
tốc độ phản ứng nghịch
23 2 3
Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOR
→ Cân bằng động (dynamic equilibrium)
static equilibrium
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 6
 Waage & Guldberg (1864, Law of mass action)
• Tạicânbằng:
tốc độ phản ứng thuậnbằng
tốc độ phản ứng nghịch
[]
[
]
[][]
=AB
=CD
ab
ff
cd
rr

vk
vk
[][]
[
]
[
]
AB= CD
ab cd
fr
kk
[
]
[
]
[][]
CD

AB
cd
f
ab
r
k
K
k
==
• k
f
, k

r
: hằng số tốc độ
• K: hằng số cân bằng
A + B C + Dab cdR
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 7
Tiếntrìnhđạt đếncânbằng của1 phản ứng hóa học
©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley)
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 8
II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng
(Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants)
A + B C + Dab cdR
ΔG = ΔH - TΔS
• Phản ứng có khuynh hướng xảyratự nhiên theo chiềucó
năng lượng tự do thấp
• Năng lượng tự do củamộtp.ứ = năng lượng tự do Gibb
• ΔH: sai biệtnăng lượng enthalpy giữasảnphẩmvàtácchất
→ Đo nhiệttỏarahay thuvàocủahệ p.ứ
→ ΔH > 0: p.ứ thu nhiệt; ΔH < 0: p.ứ tỏa nhiệt
• ΔS: sai biệtnăng lượng entropy giữasảnphẩmvàtácchất
→ Đo độ tự do hay hỗnloạncủahệ p.ứ
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 9
II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng
(Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants)
A + B C + Dab cdR
ΔG = ΔH - TΔS
• ΔG dùng để dựđoán hướng p.ứ dịch chuyển đếncânbằng
→ ΔG < 0: p.ứưu đãi nhiệt động học(ΔH < 0, ΔS > 0)
→ ΔG > 0: p.ứ không ưu đãi nhiệt động học, không xảyra
→ ΔG = 0: p.ứđạtcânbằng
• Khi hệ p.ứ chuyểntừ vi trí chưa cb sang cb, ΔG chuyểntừ

giá trị ban đầu đếngiátrị zero ⇔ có sự chuyển đổinồng độ
củacácchất trong hệ p.ứ
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 10
II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng
(Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants)
ΔG = ΔH - TΔS
→ ΔG hàm phụ thuộcvàonồng độ củatácchất& sảnphẩm
0
ΔG = ΔG- lnRT Q
• ΔG
0
: năng lượng Gibbs ởđkchuẩn (1atm, 298K,1M)
[
]
[
]
[][]
CD
AB
cd
ab
Q =
• Q: phần không chuẩn
→ Tạicânbằng: ΔG = 0
0
ΔG= lnRT K
[
]
[
]

[][]
CD
AB
cd
cb cb
ab
cb cb
K =
[khí]: atm
[lỏng]: mol/l
[rắn] = 0
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 11
II.3 Vậndụng hằng số cân bằng
(Manipulating equilibrium constants)
 Hằng số cb củap.ứ nghịch = nghịch đảohằng số cb thuận
2
A + 2B ABR
[
]
[][]
2
1
2
AB
AB
K =
2
AB A + 2B R
[
]

[
]
[]
2
2
2
AB
AB
K =
 Hằng số cb củatổng 2 p.ứ = tích các hằng số cb
A + C ACR
2
AC + C ACR
2
2
[AC ]

[AC][C]
K =
1
[AC]
[A][C]
K =
2
A + 2C ACR
12
KKK
=
2
1

1
K
K
=
2
2
[AC ]
[A][C]
K =
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 12
biết
2A + B C + 3DR
VD
1
: Tính hằng số cb củap.ứ sau
1
2
3
4
Rxn 1: A + B D 0.40
Rxn 2: A + E C + D + F 0.10
Rxn 3: C + E B 2.0
Rxn 4: F + C D + B 5.0
K
K
K
K
=
=
=

=
R
R
R
R
2A + B C + 3DR
Rxn1 + Rxn2 - Rxn3 + Rxn4
-Rxn3 = Rxn5
→ K
5
= 1/K
3
= 0.50
→ K = K
1
x K
2
x K
5
x K
4
= 0.10
5
B C + D ?K
=
R
Rxn1 + Rxn2 + Rxn5 + Rxn4
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 13
biết
22

NO(g) + 12O 2NOR
VD
2
: Tính K
c
củap.ứ
18
2221
31
22 2
Rxn 1: N (g) + 1 2 O N O 2.7 10
Rxn 2: N (g) + O 2NO 4.7 10
K
K
−
−
=×
=×
R
R
-Rxn1 + Rxn2
Rxn3 = - Rxn1
Rxn3 + Rxn2
22 c
N O(g) + 1 2O 2NO ?K
=
R
22 23
Rxn 3: N O N (g) +1 2 O ?K
=

R
13
32 2
1
1
1.7 10
c
KKK K
K
−
=×=×=×→
3
1
1
K
K
→ =
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 14
 Hằng số cb của pha khí, K
p
22 3
2SO (g) + O (g) 2 SO ( )gR
[
]
[][ ]
2
3
2
22
SO

OSO
c
K =
• Hỗnhợp khí hòa tan vào nhau như trong chấtlỏng
• Hằng số cb thường biểudiễndướidạng áp suất riêng phần,
K
p
[]
33
SO SO
3
SO
VRT
nP
==
[]
22
SO SO
2
SO
VRT
nP
==
[]
22
OO
2
O
VRT
nP

==
[]
[][ ]
3
3
22
22
2
SO
2
2
SO
3
22
2
SO O
SO O
22
RT
SO
OSO
RT RT
c
P
P
K
RT
Pp
PP
⎛⎞

⎜⎟
⎝⎠
===
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
()
cp
K
KRT=
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 15
 Hằng số cb củapứ có sự hiệndiệncủa đơn nguyên chất
22
C(s) + H O(g) CO( ) H ( )gg
+
R
[
]
[
]
[]
2
2
CO H
HO
c
K =→
• Nồng độ của đơn nguyên chấtlỏng hay rắnxemnhư = 1
→ Hằng số cb không chứathànhphầncủa đơn nguyên chất
[

]
C1
=
2
2
CO H
HO
c
PP
K
RT
P
→ =×
Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 16
 Hằng số cb củapứ có sự hiệndiệncủa đơn nguyên chất
32
CaCO (s) CaO( ) CO ( )
s
g
+
R
[
]
2
CO
c
K→ =
[
]
[

]
3
CaCO 1; CaO 1
=
=
2
COc
K
PRT
=
→
×