ĐỀ TÀI CÂN BẰNG HÓA HỌC TRONG HÓA DẦU

Chương 7. Cân bằng hóa học

CHƯƠNG 7. CÂN BẰNG HÓA HỌC
7.1. Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch, cân bằng hóa học
Phản ứng một chiều là phản ứng mà các chất tham gia phản ứng tác dụng với
nhau tạo thành các sản phẩm, còn các sản phẩm không tác dụng với nhau theo phản
ứng ngược để tạo lại các chất ban đầu, nghĩa là phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều.
Ví dụ:
2 ( ) 2 ( ) 2 ( )
2N O 2N + O
k k k
↔
Đun nóng đến khoảng 300
0
C khí N
2
O phân hủy thành N
2
và O
2
, còn khí N
2
và
O
2
không phản ứng với nhau tạo thành N
2
O được.
Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau trong
cùng một điều kiện.
Ví dụ: N

2
O
4 (k)
2NO
2

(k)
Trong cùng một điều kiện, N
2
O
4
phân hủy thành NO
2
theo phản ứng thuận
(phản ứng từ trái sang phải) đồng thời các phân tử NO
2
cũng kết hợp với nhau tạo
thành N
2
O
4
theo phản ứng nghịch (phản ứng từ phải sang trái).
Cân bằng hóa học:
Trong phản ứng thuận nghịch, các chất tham gia phản ứng tác dụng với nhau
tạo thành các sản phẩm, đồng thời các sản phẩm cũng tác dụng với nhau tạo thành các
chất đầu. Khi nào lượng các chất tham gia phản ứng mất đi theo phản ứng thuận bằng
lượng của chúng mất đi theo phản ứng nghịch thì ta nói phản ứng đã đạt đến trạng thái
cân bằng hóa học. Lúc này, lượng các chất trong phản ứng (các chất tham gia phản
ứng và sản phẩm) không biến đổi nữa. Đây là cân bằng động, vì phản ứng thuận và
phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng với tốc độ bằng nhau. Vậy trạng thái cân bằng

hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc
độ phản ứng nghịch.
7.2. Định luật Guldberg-Waage và hằng số cân bằng hóa học
7.2.1. Định luật Guldberg-Waage: (C.Guldberg và P. Waage là hai nhà hóa học người
Na Uy đã tìm ra định luật vào năm 1867 bằng con đường thực nghiệm )
Định luật Guldberg-Waage là định luật tác dụng khối lượng chỉ áp dụng cho
trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch.
Định luật Guldberg-Waage: “Khi một hệ đồng thể đạt đến trạng thái cân bằng
thì tích số nồng độ của các sản phẩm với số mũ là các hệ số tỷ lượng chia cho tích số
nồng độ các chất phản ứng với số mũ là các hệ số tỷ lượng luôn luôn là một hằng số ở
một nhiệt độ nhất định”.
Ví dụ: Cho phương trình
aA + bB + … cC

+ dD + …
Biểu thức toán học của định luật Guldberg-Waage được viết như sau:
c d
cb
a b
[C] .[D]
K =
[A] .[B]
(7.1)
với [A], [B], [C], [D], … nồng độ các chất;
-94-
Chương 7. Cân bằng hóa học

a, b, c, d, …. : hệ số tỷ lượng (hệ số cân bằng trong phương trình phản ứng);
K
cb

: hằng số cân bằng.
7.2.2. Các hằng số cân bằng K
P
và K
C
của phản ứng thuận nghịch xảy ra trong hệ đồng
thể và dị thể
7.2.2.1.Hệ đồng thể – Hệ dị thể
Hệ đồng thể là hệ mà các thuộc tính của nó hoặc không đổi, hoặc thay đổi liên
tục từ điểm này qua điểm kia, hoàn toàn không có bề mặt phân chia trong hệ. Ví dụ, hệ
gồm các chất khí hoặc hệ gồm các chất tan trong dung môi nào đó.
Hệ dị thể là hệ trong đó có bề mặt phân chia trong hệ. Bề mặt phân chia là bề
mặt vật lý mà đi qua nó có sự thay đổi đột ngột kích thước vĩ mô nào đó của hệ. Ví dụ,
hệ gồm các chất khí và rắn, chất khí và lỏng, chất rắn và lỏng, các chất rắn.
7.2.2.2.Hằng số cân bằng K
P
và K
C
trong hệ đồng thể
Do phản ứng xảy ra trong hệ đồng thể (chất khí hoặc dung dịch) nên nồng độ có
thể được tính bằng nồng độ phân tử gam (mol/lít) hoặc bằng áp suất riêng phần (atm).
• Khi tính bằng nồng độ phân tử gam (hay nồng độ mol) thì K
cb
được gọi là hằng
số cân bằng nồng độ (K
c
).
c d
C D
c

a b
A B
C .C
K =
C .C
(7.2)
, với C
A
, C
B
, C
C
, C
D
: nồng độ mol của các chất A,B,C,D.
• Khí tính bằng áp suất riêng phần thì K
cb
được gọi là hằng số cân bằng áp suất
( K
p
).
c d
C D
P
a b
A B
P .P
K =
P .P
(7.3)

với P
A
, P
B
, P
C
, P
D
: áp suất chất khí tính theo atm.
Vậy K
P
được gọi là hằng số cân bằng theo áp suất, K
C
được gọi là hằng số cân
bằng theo nồng độ. Đối với một phản ứng xác định, các hằng số này chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ.
Ví dụ: Xét phản ứng thuận nghịch sau:
2SO
2

(k)
+ O
2(k)
2SO
3(k)
Khi đạt đến trạng thái cân bằng lượng SO
2
, O
2
và SO

3
trong phản ứng không
biến đổi nữa nên ta có thể đặt:
[ ]
[ ] [ ]
3
2 2
2
SO
P
2
SO O
cb
2
3
C
2
2 2
cb
P
= const = K
P .P
SO
= const = K
SO O
 
 ÷
 ÷
 
 

 ÷
 ÷
 
-95-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Trong đó:-
3 2 2
SO SO O
P , P , P
áp suất riêng phần của SO
3
, SO
2
và O
2
trong phản ứng ở
trạng thái cân bằng (atm);
- [SO
3
], [SO
2
] và [O
2
]- nồng độ mol/l của SO
3
, SO
2
và O
2

trong phản ứng ở
trạng thái cân bằng (mol/lít);
- Các số mũ trên áp suất P và nồng độ ứng với hệ số tỷ lượng các chất trong
phương trình phản ứng.
Cần chú ý rằng phương trình tính hằng số cân bằng K
P
và K
C
phụ thuộc vào
cách viết các hệ số tỷ lượng trong phản ứng.
Ví dụ: phương trình phản ứng trên nếu được viết như sau:
SO
2

(k)
+
2
1
O
2(k)
SO
3(k)
ta có :
[ ]
[ ] [ ]
3
1
2
2 2
1

2
SO
P
SO O
cb
3
C
2 2
cb
P
= const = K
P .P
SO
= const = K
SO O
 
 ÷
 ÷
 
 
 ÷
 ÷
 
• Đối với một phản ứng cho sẵn hai hằng số K
P
và K
C
, thì K
P
và K

C
được liên hệ
với nhau bằng công thức sau:
Ta có phương trình trạng thái khí lý tưởng :
n
PV = nRT hayP = RT P = CRT(do n=CV)
V
⇒
Thay P = CRT vào (7.3) ta được:
c c d d
C D
P
a a b b
A B
c d
(c+d+ ) -(a +b+ )
C D
a b
A B
C (RT) .C (RT)
K =
C (RT) .C (RT)
C .C
= .(RT)
C .C
Hay
Δn
P C
K = K (RT)
(7.4)

Trong đó R – hằng số khí lý tưởng, R = 0,082 dm
3
.atm/mol.
o
K;
T – nhiệt độ tuyệt đối (
o
K);
∆n – hiệu số số mol khí giữa vế hai và vế một của phương trình
phản ứng. Khi ∆n = 0 thì K
P
= K
C.
.
• Nhắc lại áp suất riêng phần
- Áp suất riêng phần của chất khí trong hỗn hợp là áp suất do chất khí tạo nên
khi nó chiếm thể tích của toàn bộ hỗn hợp khí trong cùng những điều kiện vật lý đó.
Ví dụ 1: Trộn 2 lít O
2
và 4 lít SO
2
ở cùng áp suất là 100kPa (750 mmHg), thể
tích hỗn hợp là 6 lít. Xác định áp suất riêng phần của O
2
và SO
2
.
-96-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Giải: Thể tích O
2
tăng lên sau khi trộn:
6
3
2
=
lần
Thể tích SO
2
tăng lên sau khi trộn:
6
1,5
4
=
lần
Vậy áp suất riêng phần của O
2
và SO
2
cũng tăng lên tương ứng là 3 và 1,5 lần
2
2
O
SO
100
P = =33,3kPa
3
100
P = =66,7kPa

1,5
-Theo định luật áp suất riêng phần, áp suất chung của hỗn hợp các chất khí
không tham gia tương tác hóa học với nhau bằng tổng áp suất riêng phần của các
chất khí tạo thành hỗn hợp.
Ví dụ 2: Trộn 3 lít CO
2
với 4 lít O
2
và 6 lít N
2
. Trước khi trộn áp suất của CO
2
,
O
2
và N
2
lần lượt là 96, 108 và 90,6 kPa. Thể tích chung của hỗn hợp là 10 lít. Xác
định áp suất hỗn hợp.
Giải: Áp suất riêng phần của CO
2
, O
2
và N
2
lần lượt là:
2
2
2
CO

O
N
3
P =96. = 28,8kPa
10
4
P =108. = 43,2kPa
10
6
P = 90,6. = 54,4kPa
10
Áp suất chung của hỗn hợp là : P = 28,8 + 43,2 + 5,4 = 126,4 kPa
Ví dụ 3: Cho 0,003 mol N
2
O
4
(k) vào bình chân không dung tích 0,5dm
3
duy trì
ở 45
o
C xảy ra phản ứng như sau:
N
2
O
4(k)
2NO
2

(k)

Khi cân bằng được thiết lập có 63% N
2
O
4
bị phân hủy thành NO
2
.
Tính:
a) Số mol các chất khi cân bằng?
b) Áp suất riêng phần của từng chất trong cân bằng?
c) Và các hằng số cân bằng K
P
và K
C
của phản ứng?
d) Nếu phản ứng trên được viết dưới dạng :
1
2
N
2
O
4(k)
NO
2

(k)
, thì
'
P
K

và
'
C
K
ở cùng nhiệt độ khảo sát là bao nhiêu ?
Giải :
Gọi x là số mol N
2
O
4
phản ứng: N
2
O
4(k)
2NO
2

(k)
Số mol ban đầu: 0,003 0
Số mol phản ứng x 2x
Số mol khi cân bằng: 0,003 – x 2x
x = 0,003 . 0,63 = 0,00189 mol
-97-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Vậy:
a)
2 4
2

N O
NO
n = 0,003 - 0,00189= 0,00111
n = 2.0,00189= 0,00378
mol
mol
b)
Áp dụng công thức PV=nRT
2 4
2
-2
N O
NO
0,00111 . 0,082. (45+ 273)
P = 5,79.10
0,5
0,00378 . 0,082 .318
P = 0,197
0,5
atm
atm
≈
≈
c)
2
2 4
2
2
NO
P

-2
N O
cb
Δn -2
P C C
P
(0,197)
K = = » 0,67
P 5,79 . 10
0,67
K = K (RT) K = »2,57 . 10
0,082 . 318
 
 ÷
 ÷
 
⇒
d)
2
2 4
1
2
NO
'
P p
1/2
N O
cb
' -2
2

C C
2 4
cb
P
K = = K = 0,67 0,82
P
[NO ]
K = = K = 2,57 . 10 0,16
[N O ]
 
≈
 ÷
 ÷
 
 
≈
 ÷
 
2.2.4. Hằng số cân bằng K
P
và K
C
trong hệ dị thể
Xét một số phản ứng thuận nghịch sau:
C (gr) + CO
2
(k) 2CO (k)
2Hg (l) + O
2
(k) 2HgO (tt)

Fe (tt) + Cu
2+
Fe
2+
+ Cu (tt)
Hằng số cân bằng của các phản ứng trên được tính lần lượt như sau:
2
2
2
2
CO
P C
CO 2
cb
cb
P C
O 2
cb
cb
2+
C
2+
cb
P
[CO]
K = ;K =
P [CO ]
1 1
K = ; K =
P [O ]

[Fe ]
K =
[Cu ]
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
 
 
 ÷
 ÷
 ÷
 
 
 
 ÷
 
Vậy đối với phản ứng dị thể, các chất rắn và lỏng không có mặt trong phương
trình tính các hằng số cân bằng K
P
và K
C
.
-98-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Ví dụ: Tính áp suất riêng phần của CO và CO

2
khi cân bằng, đồng thời tính K
C
của phản ứng sau ở nhiệt độ 1000
o
K.
C
(gr)
+ CO
2(k)
2CO
(k)
biết rằng phản ứng có
P
9000
lgK =9,15-
T
và áp suất của hệ khi cân bằng là 1atm.
Giải: Ở nhiệt độ 1000
o
K có
P
9000
lgK = 9,15- = 0,15
1000
. Vậy
2
2
CO
p P

CO
cb
P
K 1,41, K =
P
 
≈
 ÷
 ÷
 
Gọi x là áp suất của CO và 1 - x là áp suất CO
2
khi cân bằng, ta có:
2
2
CO CO
Δn -2
P C C
x
1,41= x= 0,68
1-x
P =0,68 , P =1-0,68=0,32
1,41
K =K (RT) K = =1,72.10
0,082.1000
atm
atm atm
⇒
⇒
7.2.3. Công thức liên hệ giữa K

P
và ∆G
o
của phản ứng
Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi, biến thiên thế đẳng áp của phản
ứng thuận được tính bằng biểu thức (7.5) sau:
c d
0
C D
pu T
a b
A B
P P
ΔG = ΔG + RT ln
P P
(7.5)
Trong đó: -
0
T
G
∆
: biến thiên thế đẳng áp của phản ứng thuận ở điều kiện chuẩn
(áp suất riêng phần của các khí bằng 1atm) ở nhiệt độ T;
-
c d a b
C D A B
P , P ,P , P
: áp suất riêng phần của các khí C, D, A, B trong hệ lúc cân bằng.
Ở trạng thái cân bằng ∆G
pư

= 0, do đó K
P
và
0
T
ΔG
của phản ứng có mối liên hệ
như sau:
0
T P
ΔG =-RTlnK
(7.6)
Trong đó:
0
T
G
∆
: thế đẳng áp chuẩn của phản ứng ở nhiệt độ T, đơn vị J;
R : hằng số khí lý tưởng, R = 8,314 J/mol.
o
K.
Công thức (7.6) đúng cho mọi nhiệt độ T.
Ví dụ 1: Đun NH
4
Cl
(tt)
phân hủy theo phản ứng sau:
4 ( ) 3 ( ) ( )
NH Cl NH + HCl
tt k k

↔
Tính K
P
và
0
298
ΔH
của phản ứng dựa vào các số liệu sau:
NH
4
Cl
(tt)
NH
3

(k)
HCl
(k)
0
298,tt
ΔG ( / )kJ mol
-203,9 -16,6 -95,3
0 0
298
( / . )S J mol K
94,5 192,6 186,8
Giải:
-99-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Trước hết tính
0
298
G
∆
của phản ứng:
0
298,pu
ΔG =-16,6-95,3+203,9=92kJ
Từ công thức
0
T,pu P
ΔG = - RTlnK
ta có:
0 3
P
-17
P
ΔG -92.10
lnK = - = -37,13
RT 8,314.298
K 7,47.10
≈
⇒
;
Mặt khác ta có:
0 0 0 o 0 0
298,pu 298,pu 298,pu
0 0
298,pu

0 0 0
298,pu 298,pu 298,pu
ΔG = ΔH -TΔSÞΔH =ΔG +TΔS
ΔS =192,6+ 186,8 - 94,5 = 284,9 /
ΔH =ΔG +TΔS
=92000+298.284,9 =176 900
J K
J
Ví dụ 2: Dùng a mol H
2
và a mol I
2
để thực hiện phản ứng:
2( ) 2( ) ( )
H I 2HI
k k k
+ →
Khi cân bằng ở 1000
o
K có 72% H
2
đã phản ứng. Tính K
P
và ∆G
o
của phản ứng.
Giải:

2( ) 2( ) ( )
H I 2HI

k k k
+ ↔
Số mol ban đầu a a 0
Số mol phản ứng 0,72a 0,72a 2.0,72a
Số mol khi cân bằng a-0,72a a-0,72a 2.0,72a
Vì ∆n=0 nên K
P
= K
C
hay hằng số cân bằng K:
2 2 2
2 2
2 2
cb
0
pu P
[HI] (1,44) a
K = = 26,45
[H ][I ] a (1-0,72)
ΔG = -RTlnK =-8,314.1000.ln26,45 -27 230J.
 
≈
 ÷
 
≈
7.3. Sự chuyển dịch cân bằng- nguyên lý Le Chatelier
7.3.1. Sự dịch chuyển cân bằng
Một hệ cân bằng được giữ nguyên không bị biến đổi chỉ khi các thông số trạng
thái đặc trưng cho hệ không bị biến đổi. Nếu một trong các thông số này bị biến đổi thì
cân bằng của hệ bị phá hủy và chuyển sang một trạng thái cân bằng khác. Hiện tượng

này gọi là sự chuyển dịch cân bằng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng là nhiệt độ, áp suất và nồng độ :
• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng:
-100-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng nhiệt độ của hệ thì cân bằng sẽ
chuyển dịch sang chiều thu nhiệt, còn khi hạ nhiệt độ của hệ xuống thì cân bằng sẽ
chuyển dịch theo chiều toả nhiệt.
Ví dụ: Xét phản ứng nung vôi sau là phản ứng thu nhiệt:
3( ) ( ) 2( )
CaCO CaO +CO ;ΔH > 0
tt tt k
€
Nếu tăng nhiệt độ của hệ lên thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận,
ngược lại giảm nhiệt độ xuống thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch.Vậy để
thu được vôi (CaO) có hiệu suất cao cần nhiệt độ cao.
Gọi K là hằng số cân bằng K
CB
, ta có phương trình Van’t Hoff:
2
dlnKΔH
=
dt RT
(
∆
H là biến đổi enthalpy theo chiều thuận)
Nếu
∆
H không phụ thuộc nhiệt độ T, ta có:

ΔH
lgK=- +C
2,303RT
Đo K ở nhiều nhiệt độ T khác nhau, vẽ đường biểu diễn lgK theo
T
1
, ta có
đường thẳng mà hệ số góc là
ΔH
-
2,303.R
(dạng ax+b).
Với
∆
H > 0: K tăng khi 1/T giảm, tức T tăng.
Với
∆
H < 0: K tăng khi 1/T tăng, tức T giảm.
Kết luận: Trong một phản ứng cân bằng, khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch
chuyển theo chiều thu nhiệt (trường hợp
∆
H > 0). Ngược lại, nếu hạ nhiệt độ, cân
bằng sẽ dời đổi theo chiều tỏa nhiệt (trường hợp
∆
H < 0).
Ví dụ: Xét phản ứng nung vôi sau là phản ứng thu nhiệt:
CaCO
3(tt)
CaO
(tt)

+ CO
2 (k)
;
∆
H > 0
Nếu tăng nhiệt độ của hệ lên thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận,
ngược lại giảm nhiệt độ xuống thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch. Vậy để
thu được vôi (CaO) có hiệu suất cao cần nhiệt độ cao.
Ví dụ: Phản ứng: 2NO
2

(k)
N
2
O
4

(k)
(
o
298, pu
ΔH
= -13873 Cal), khi làm lạnh,
đun nóng thì phản ứng dịch chuyển như thế nào?
o
298,pu
ΔH
= -13873 Cal, tức là phản ứng tỏa nhiệt ở 25
o
C ở trạng thái cân bằng.

-101-
Chương 7. Cân bằng hóa học

+ Khi làm lạnh (hạ nhiệt độ)  Phản ứng dịch chuyển theo chiều tỏa nhiệt, tức
tạo khí N
2
O
4
(không màu).
+ Khi đun nóng (tăng nhiệt độ)  Phản ứng dịch chuyển theo chiều giảm nhiệt
độ, tức chiều nghịch, tạo NO
2
(màu nâu).
• Ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng
Một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng áp suất của hệ lên thì cân bằng
sẽ chuyển dịch sang chiều có số mol khí ít hơn, còn nếu hạ áp suất của hệ xuống thì
cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều có số mol khí nhiều hơn.
Ví dụ: Xét phản ứng tổng hợp Amoniac trong công nghiệp:
N
2

(k)
+ 3H
2 (k)
2NH
3 (k)
Phản ứng này có số mol khí ở vế hai là hai, ở vế một là bốn, nghĩa là
Δn
= 2– 4
= -2 < 0.

Khi tăng áp suất của hệ lên, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều thuận có lợi
cho sản xuất NH
3
, còn khi giảm áp suất của hệ xuống, cân bằng sẽ dịch chuyển theo
chiều nghịch bất lợi cho sự tổng hợp NH
3
.
Ví dụ : Áp suất ảnh hưởng như thế nào đến vị trí cân bằng của phản ứng sau:
2CO
(k)
+ O
2 (k)
2CO
2 (k)
Khi P ngoài tăng: phản ứng dịch chuyển theo chiều thuận.
Khi P ngoài giảm: phản ứng dịch chuyển theo chiều nghịch.
- Nếu phản ứng có số mol khí ở hai vế bằng nhau hoặc phản ứng không có chất
khí thì áp suất hầu như không có ảnh hưởng đến sự dịch chuyển cân bằng.
Ví dụ: Các phản ứng sau:
CO
(k)
+ H
2
O
(k)
CO
2 (k)
+H
2

(k)
I
2

(k)
+ H
2

(k)
2 HI
(k)
Tổng số mol tác chất bằng tổng số mol sản phẩm nên áp suất bên ngoài không
ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của các phản ứng trên.
• Ảnh hưởng của nồng độ đến cân bằng
Một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta tăng nồng độ của một chất nào đó
trong hệ thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều giảm nồng độ chất đó xuống, còn nếu
ta giảm nồng độ của một chất nào đó trong hệ thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều
tăng nồng độ chất đó lên.
Ví dụ: Xét cân bằng sau:
2SO
2(k)
+ O
2 (k)
2SO
3 (k)
Nếu tăng nồng độ của SO
2
hoặc O
2
hoặc giảm nồng độ của SO

3
cân bằng đều
dịch chuyển theo chiều thuận. Do đó trong công nghiệp để điều chế SO
3
theo phản ứng
trên người ta dùng một lượng dư O
2
không khí.
7.3.2. Nguyên lý Le Chatelier
-102-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và nồng độ đến sự dịch chuyển cân bằng được
thể hiện trong nguyên lý Le Chatelier hay còn gọi là nguyên lý dịch chuyển cân bằng
như sau:
“Một hệ đang ở trạng thái cân bằng nếu ta biến đổi một trong các thông số
trạng thái của hệ (nhiệt độ, áp suất, nồng độ) thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều
chống lại sự biến đổi đó”.
7.4. Ứng dụng của hằng số cân bằng K
cb
- Dự đoán chiều biến đổi của phản ứng.
- Tính nồng độ các chất lúc cân bằng.
- Tính hiệu suất phản ứng.
Ví dụ 1:
Cho phản ứng 2NO
2(k)
N
2
O
4(k)

biết ở trạng thái cân bằng áp suất riêng phần
của khí
2
NO
P
= 0,71 atm,
42
ON
P
= 0,29 atm. Cho biết phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều
nào khi tăng áp suất riêng phần của NO
2
lên 1 atm. Biết ở 25
o
C, K
p
= 8,9
Giải: Ta có (7.6)
2 4
2
N O
o
pu T
2
NO
P
ΔG =ΔG +RTln
[P ]

P

2
0,29
=-RTlnK +RTln
1
(với K
P
= 8,9)

0,29
=RT×2,303(lg -lg8,9)
1

( )
8,314 . 298 . 2,303 lg0,29 – lg8,9=

= - 8484,55J
Do
pu
ΔG <0
: phản ứng xảy ra theo chiều thuận (tức chiều giảm áp suất NO
2
, tạo
N
2
O
4
từ NO
2
).
Ví dụ 2: Cho phản ứng: 2NO

2(k)
N
2
O
4(k)
, có:
0
298,tt
ΔH ( / )Cal mol
8091 2309
0
S ( / . )
o
Cal mol K
57,46 72,73
1. Ở nhiệt độ phòng (298
o
K) phản ứng có xảy ra hay không ở điều kiện chuẩn
nhiệt động? Nếu có hiệu suất là bao nhiêu cho biết áp suất chung của hệ là 1
atm.
2. Ở 25
o
C hãy xác định chiều phản ứng khi biết áp suất riêng phần ban đầu của
NO
2
và N
2
O
4
lần lượt là 0,1 atm và 0,9 atm.

Giải:
1) Muốn biết phản ứng có xảy ra hay không ta cần tính
298,
o
pu
G∆
thông qua
o
H
298
∆
phản
ứng và
o
S
298
∆
phản ứng
-103-
Chương 7. Cân bằng hóa học

∆
H
pư
= [c(
∆
Htt,C) + d(
∆
Htt,D) + …] – [a(
∆

Htt,A) + b(
∆
Htt,B) + …]
=
tt,sp
tt,tc
ΔH - ΔH
∑ ∑
o
298
ΔH
,
pư
= 2309 – 2 × 8091 = -13873 Cal
o
298,pu
ΔS

= 72,73 – 2 × 57,46 = -42,19 Cal/mol
ta có
o o o
298pu 298,pu 298,pu
ΔG =ΔH -TΔS
= -13873 – 298.(-42,19) = -1300 Cal < 0
Do
o
pu
G
,298
∆

< 0 => phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận (không thể tự xảy ra quá
trình nghịch ở bất cứ điều kiện nhiệt độ T nào ) để tạo thành N
2
O
4
nhiều hơn
- Tính hiệu suất, cần tìm áp suất riêng phần cân bằng của mỗi khí để áp dụng
vào phương trình (7.6).
Gọi x là phần áp suất N
2
O
4
tăng thêm ( atm)
2( ) 2 4( )
2NO N O
k k
↔

Phản ứng:
)(2
↓
x

)(
↑
x
Ở trạng thái cân bằng 1 – 2x 1 + x
theo phương trình (7.3), ta có :
P
2

1+x
K =
(1-2x)
(1)
Mặt khác, theo phương trình (7.6) ta có
P
o
T
KRTG ln
−=∆
(R = 1,987 Cal/mol.độ)
=> -1300 cal/mol = -1,987 . 298 ln K
p
=> K
p
= 8,9 (2)
từ (1) và (2) => 35,6 x
2
–36,6x + 7,9 = 0 => x
1
= 0,3 và x
2
= 0,7 (loại)
Vậy áp suất riêng phần của các khí khi cân bằng:
2
2 4
NO
N O
P = 1-2x = 1-0,6 = 0,4
P = 1+x = 1+0,3 = 1,3

atm
atm
Hiệu suất được tính theo độ chuyển hoá NO
2
thành N
2
O
4
:
H = (1 – 0,4). 100% = 60%
2) Chiều phản ứng ở 25
o
C biết
2 2 4
NO N O
P =0,1 , P =0,9atm atm
Áp dụng phương trình (7.5):

2 4
2
N O
o
pu T
2
NO
P
ΔG =ΔG +RTln
(P )
= -1300+ 1,987.298
2

)1,0(
9,0
ln
=1365 Cal
pu
ΔG
= 1365 cal > 0 nên phản ứng không xảy ra theo chiều thuận tạo N
2
O
4
mà xảy ra
theo chiều nghịch từ N
2
O
4
tạo NO
2
.
Chu trình Haber: do Fritz Haber (1868 – 1934) đưa ra với mục đích là tạo ra chất nổ
rẻ tiền hơn để cho nước Đức chuẩn bị cho thế chiến lần thứ nhất. Ngày nay, đây là chu
trình tốt cho việc sản xuất ra NH
3
chế tạo phân bón phục vụ cho nông nghiệp.
-104-
Chương 7. Cân bằng hóa học

Fe,Fe_oxít
0 o
2( ) 2( ) 3( )
T,Pcao

N +3H 2NH , ΔG =-194,7 / ,(500 C)
khí khí khí
kJ molƒ
2
8 0
3
c
3
2 2
[NH ]
K = =3,6.10 (25 C)
[N ][H ]
Hình 7.1: Sơ đồ quy trình điều chế NH
3
Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ 450
o
C-500
o
C dưới áp suất từ 200 đến 1000
atm. Hydro được cung cấp từ dầu mỏ, hay từ khí than đá. Còn N
2
thì khí hóa lỏng.
Bảng 7.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ (T) và áp suất (P) đến hiệu suất tạo ra NH
3
-105-