BÀI GIẢNG hóa đại CƯƠNG a2 CHƯƠNG 2 cân BẰNG HOÁ học

CÂN BẰNG HOÁ HỌC

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

1


Khái niệm về cân bằng
• Quan sát khí không màu được làm đông lạnh
N2O4. Tại nhiệt độ phòng, khí này bị phân hủy
thành khí NO2 màu nâu:
N2O4(g) → 2NO2(g).
• Tới một lúc nào đó, màu sắc ngừng thay đổi, và
chúng ta có một hỗn hợp N2O4 and NO2. Ta nói
phản ứng đã đạt cân bằng.
• Cân bằng hoá học là điểm mà tại đó nồng độ các
chất không thay đổi nữa.

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

2


• Trên quan điểm của thuyết va chạm:
– Khi lượng NO2 tăng lên, có khả năng 2
phân tử NO2 va đập vào nhau tạo thành
N2O4.
– Tại thời điểm ban đầu chưa có N2O4 nên
phản ứng nghịch 2NO2(g) → N2O4(g) chưa
xảy ra.

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

3


The Concept of Equilibrium

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

4


• Tại điểm mà tốc độ phản ứng phân hủy:
N2O4(g) → 2NO2(g)
bằng với tốc độ phản ứng nghịch:
2NO2(g) → N2O4(g).
tồn tại một cân bằng động (dynamic equilibrium)
• cân bằng là động vì phản ứng không hề bị ngừng
lại. Lúc đó mọi tốc độ thuận nghịch là như nhau
• Tại cân bằng, bao nhiêu N2O4 phản ứng để tạo
thành NO2 thì có bấy nhiêu NO2 phản ứng để tạo
lại N2O4:

N2O4(g)

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

2NO2(g)

5

Khái niệm về cân bằng

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

6


• Tóm lại:
 Cân bằng có tính chất động, nghóa là lúc cân bằng về
mặt thực tế thành phần các hợp chất không thay đổi
nhưng thực tế phản ứng vẫn xảy ra với vthuận và vnghòch
bằng nhau.
 Khuynh hướng tự nhiên của một phản ứng hóa học
là luôn hướng tới cân bằng.
 Cân bằng sẽ đạt được khi ∆G=0. Lúc này cân bằng
hóa học là sự cân bằng giữa hai yếu tố ảnh hưởng lên
phản ứng là nhiệt và entropy.

HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

7


Hằng số cân bằng
•

Xem phản ứng

N2(g) + 3H2(g)

2NH3(g)

a) Nếu ta bắt đầu bằng một hỗn hợp nitrogen và
hydrogen (tỷ lệ bất kỳ), phản ứng sẽ đạt tới cân
bằng tương ứng với nồng độ không đổi của
nitrogen, hydrogen và ammonia.
b) Tuy nhiên nếu ban đầu ta chỉ có ammonia và
không nitrogen hay hydrogen, phản ứng vẫn
xảy ra. N2 và H2 được tạo thành cho tới khi các
nồng độ đạt tới cân bằng

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

8


Hằng số cân bằng

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

9


Hằng số cân bằng
• Dù thành phần tác chất ban đầu và thành phần
sản phẩm ra sao, các nồng độ luôn đạt tới một tỷ
lệ như nhau tại cân bằng
• Cho một phản ứng bất kỳ

aA + bB(g)

pP + qQ

Biểu thức của hằng số cân bằng là

Kc =

p
q
[ P] [ Q]
a
b
[ A] [ B]

với Kc là hằng số cân bằng
HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

10


Độ lớn của hằng số cân bằng
Hằng số cân bằng, K, là tỷ lệ của sản phẩm
trên tác chất. Do đó:
• K càng lớn thì tại cân bằng nồng độ sản
phẩm càng lớn.
• Ngược lại, K càng nhỏ thì tại cân bằng nồng
độ tác chất càng lớn
• Nếu K >> 1, các sản phẩm chiếm ưu thế tại

cân bằng và cân bằng chuyển sang phải
• Nếu K << 1, các tác chất chiếm ưu thế tại cân
bằng và cân bằng chuyển sang trái
HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

11


The Equilibrium Constant

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

12


Cân bằng đồng thể trong dung dòch:
mA + nB pC + qD
• Xét phản ứng:
• có :vt = kt [A]m[B]n
vn = kn [C]p[D]q
[C]p[D]q
•
• tại cân bằng : vt = vn  Kc = kt / kn = ------------[A]m[B]n
•
[C]p[D]q
•
Kc = ------------• Vậy:
[A]m[B]n
•
• trong đó Kc=hằng số cân bằng theo nồng độ.

HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

13


Cân bằng đồng thể trong pha khí:
Liên hệ đến áp suất riêng phần của hợp chất.

( )

p
q
( PP ) PQ
KP =
a
b
( PA ) ( PB )
PA = [A](RT)

HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

14


Cân bằng dò thể:
Trong trường hợp cân bằng có sự hiện diện của chất
khí, trong biểu thức Kc người ta chỉ chú ý tới chất
khí mà thôi.

CaCO3(s)

Kc =

[ CaO]

[ CaCO 3 ]

CaO(s) + CO2(g)

• [ CO 2 ] = constant • [ CO 2 ] .

′
∴ K c = K c • constant = [ CO 2 ]
HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

15


The Equilibrium Constant
Heterogeneous Equilibria

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

16


Hằng số cân bằng và năng lượng tự do G
• Ta có:

∆Gr = ∆Gor + RT lnKcb

• Tại cân bằng: 0 = ∆Gor + RT lnKcb
• hay
•
•

∆Gor= – RT lnKcb
Kcb = Kc hay Kp

Kcb = e-∆Go/ RT

•
•
HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

17


Ứng dụng của hằng số cân bằng trong hóa học
Dự đoán chiều phản ứng
We define Q, the reaction quotient, for a general reaction

aA + bB(g)
as

Q=

pP + qQ

p

q
[ P ] [ Q]
a
b
[ A] [ B]

where [A], [B], [P], and [Q] are molarities at any time.
• Q = K only at equilibrium.
HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

18


Applications of Equilibrium Constants
Predicting the Direction of Reaction
• If Q > K then the reverse reaction must occur to reach
equilibrium (i.e., products are consumed, reactants
are formed, the numerator in the equilibrium
constant expression decreases and Q decreases until it
equals K).
• If Q < K then the forward reaction must occur to
reach equilibrium.

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

19


Xác đònh nồng độ các chất ở mức cân bằng:
Có ∆Go, R, T => Kc, Kp => [ ] các chất.

HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

20


Le Châtelier’s Principle
• Xem

N2(g) + 3H2(g)

2NH3(g)

• As the pressure increases, the amount of ammonia
present at equilibrium increases.
• As the temperature decreases, the amount of
ammonia at equilibrium increases.
• Can this be predicted?
• Nguyên lý Le Châtelier: Trong một phản ứng cân
bằng, nếu thay đổi một yếu tố làm xáo trộn mức cân
bằng sẽ làm cân bằng dời đổi theo chiều chống lại sự
thay đổi ấy.
HỐ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

21


Le Châtelier’s Principle

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

22


Le Châtelier’s Principle
Change in Reactant or Product Concentrations
• Consider the Haber process

N2(g) + 3H2(g)

2NH3(g)

• If H2 is added while the system is at equilibrium, the
system must respond to counteract the added H2 (by
Le Châtelier).
• That is, the system must consume the H2 and produce
products until a new equilibrium is established.
• Therefore, [H2] and [N2] will decrease and [NH3]
increases.
HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

23


Le Châtelier’s Principle
Change in Reactant or Product Concentrations

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

24

Le Châtelier’s Principle
Change in Reactant or Product Concentrations
• Adding a reactant or product shifts the equilibrium
away from the increase.
• Removing a reactant or product shifts the equilibrium
towards the decrease.
• To optimize the amount of product at equilibrium, we
need to flood the reaction vessel with reactant and
continuously remove product (Le Châtelier).
• We illustrate the concept with the industrial
preparation of ammonia

N2(g) + 3H2(g)

HOÁ ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG II

2NH3(g)
25