tiểu luận môn học hóa đại cương cân bằng hóa học

CÂN BẰNG HÓA HỌC
VÀ
NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Thực hiện:
HUỲNH HỮU NHÂN
LÊ THỊ HUYỀN TRANG
NGUYỄN THỊ CHÍ THANH
NGUYỄN VĂN TÂM
VÕ DUY TƯỜNG
1


theo chiều phản
CóXét
2 loai
ứng, có mấy loại phản
ứng hóa học?
Phản ứng một chiều

Xảy ra theo một chiều,
chất phản ứng biến đổi
thành sản phẩm và
không xảy ra theo chiều
ngược lại.
Vd: 2H2 + O2 →2H2O

Phản ứng thuận nghịch

Xảy ra theo hai chiều
ngược nhau, chất phản
ứng biến đổi thành sản

phẩm và sản phẩm cũng
biến đổi thành chất phản
ứng.
Vd: H2(k) + I2(k) ⇌ HI(k)

2


Phản ứng thuận nghich
Xét phản ứng: H2 (k) + I2 (k) ⇌ 2HI (k)

Đến một lúc nào đó thì Vt = Vn khi đó nồng độ các chất
trong phản ứng thuận nghich được giữ nguyên → Phản
ứng đạt tới trạng thái cân bằng (cân bằng hóa học).

3


CÂN BẰNG HÓA HỌC: Là trạng thái của một phản ứng
bằngbằng
hóa tốc độ
thuận nghịch khi tốc độ của phản Cân
ứng thuận
học là gì?
của phản ứng nghịch.
Khi hệ ở trang thái cân bằng luôn có mặt các chất phản
ứng và sản phẩm.
Đặc điểm:
• Trong hệ tồn tại chất phản ứng và sản phẩm.
• Là cân bằng động

• Trạng thái cân bằng ứng với ∆Gpư= 0 . (A’=0)
Dấu hiệu của trạng thái cân bằng hoá học:
1. Tính bất biến theo thời gian
2. Tính linh động
3. Tính hai chiều.

4


Sự biến thiên tốc độ phản ứng thuận và phản ứng
nghịch theo thời gian

V
Vt
Vt = Vs
Vs
0

t
5


Hằng số cân bằng
Xét hệ cân bằng đồng đẳng:
N2O4(k) ⇌ 2NO2(k) ở 250C

K =[NO2]2/[N2O4] = 4,63.10−3 ở 25oC

6

Tổng quát
Xét phản ứng trong hệ khí lí tưởng:
aA + bB ⇌ cC + dD
V = k [A]a[B]b
t
t
V = k [C]c[D]d
s
s
=> V = V
t
s
=> k [A]a[B]b = k [C]c[D]d
t
s

Kt [ A] [ B ]
=
c
d
Ks [ C ] [ D ]
a

b

7


Hằng số cân bằng Kc được gọi là hằng số cân bằng

của phản ứng liên hệ đến nồng độ (mol/l). Kc chỉ phụ
thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng, mà không phụ
thuộc vào nồng độ các chất trong phản ứng.

Kt [ C ] [ D ]
Kc =
=
a
b
K s [ A] [ B ]
c

d

Thí dụ: 2 NOCl(k) ⇌ 2 NO(k) + Cl2(k)

NO ] [Cl2 ]
[
K=
2
[ NOCl ]
2

8


Hằng số cân bằng Kp: liên hệ đến áp suất riêng phần của hóa
chất ở thể khí lúc cân bằng
xét phản ứng: mA(k) + nB(k) ⇌ pC(k) + qD(k)

9


( PC ) p ( PD ) q
Đặt Kp =
( PA ) m ( PB ) n

(PC, PD, PA, PB lần lượt là áp suất riêng
phần của C, D, B, A lúc cân bằng)

⇒ K c = K p ( RT ) ( m + n ) −( p + q )
⇒ K p = K c ( RT )

( p + q ) −( m + n )

Đặt

∆v = ( p + q ) − (m + n)
⇒ K p = K c ( RT )

∆v

∆v :tổng hệ số mol khí sản phẩm – tổng hệ số mol khí tác chất
Kp chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ
Lưu ý: P thường tính ra atm,V thường tính ra lít nên:

PV
1.22, 4
0 0
R=

−
= 0.082 L.atm / mol.K
T0
273,15

10


Tại một thời điểm xác định, khi một phản ứng xác định
đạt tới trạng thái cân bằng thì Kp là một giá tri không xác
định đổi => Định luật tác dụng khối lượng (định luật Guldberg
– Waage)
Ta có

c
d
P
P
0
∆G = ∆G + RT ln Ca Db
PA PB

Khi phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng

∆G = 0

c d
C D
a b
A B

PP
∆G = − RT ln
= − RT ln K p
P P
0

=>

=>


PCc PDd 
∆G = RT  − ln K p + ln a b ÷
PA PB 


(gọi là pt đẳng nhiệt Van’t Hoff)

11


Chú ý
- Hằng số cân bằng K càng lớn, phản ứng càng thiên về chiều
thuận, hằng số cân bằng K càng nhỏ phản ứng càng thiên về
chiều nghịch
- Tùy theo hệ số của phản ứng mà hằng số cân bằng của cùng
một phản ứng có thể khác nhau.

12

Ý nghĩa của hằng số cân bằng K:
Hằng số cân bằng K cho thấy tích nồng độ các sản phẩm phản
ứng lớn hơn hay bé hơn tích nồng độ các chất phản ứng bao
nhiêu lần.
Giá trị của hằng số cân bằng có ý nghĩa rất lớn, vì nó cho biết
lượng các chất phản ứng còn lại và lượng các sản phẩm được
tạo thành ở vị trí cân bằng, do đó biết hiệu suất của phản ứng
Hằng số cân bằng K của một phản ứng không luôn luôn là hằng
số vì hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ. Tại một nhiệt độ
xác định, mỗi cân bằng hóa học có một hằng số cân bằng nhất
định
13


Bài 1: viết biểu thức hằng số cân bằng

a) N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k)

PNH
NH 3 ]
[
Kc =
;Kp =
3
3
P
.
P

[ N2 ] [ H 2 ]
N
H
2

2

3

2

PCO PCl
CO ] [ Cl2 ]
[
Kc =
; KP =
PCOCl
[ COCl2 ]

2

2

2

b) COCl2(k) ⇌ CO(k) + Cl2 (k)
PCO 2 PO
CO ] [ O2 ]
[
Kc =

; KP =
2
2
P
[ CO2 ]
CO
2

c) 2CO2 (k) ⇌ 2CO (k) + O2 (k)

2

2

Kc

CO2 ]
[
=
; KP
[ O2 ]

=

PCO2
PO2

d) C(r) + O2 (k) ⇌ CO2 (k)
14

Bài 2
Cho cân bằng: COCl2(k) ⇌ CO(k) + Cl2(k) ở 550oC, P=1 atm có độ
phân hủy của COCl2 là = 77%. Tính Kp, Kc?
Giải:

COCl2(k) ⇌ CO(k) + Cl2(k)

Ban đầu

1

0

0

Phản ứng

x

x

x

Cân bằng

1-x

x

x

Tổng số mol ở trạng thái cân bằng là: 1+x

pCO = pCl2

x
1− x
=P
; pCOCl2 = P
1+ x
1+ x
15


Ta có

Kp =

pCO pCl2
pCOCl2

2

x
= P×
2
1− x

Thay số vào thu được

(0.77) 2
Kp = 1
= 1.456
2
1 − (0.77)
−1

 22.4

Kc = Kp ( RT ) = 1.456 
.823 ÷ ≈ 0.0215
 273

−1

16


Bài 2: HI đun nóng phân hủy thành H2 và I2.tại một nhiệt
độ xách định có K=1/64. hỏi có bao nhiêu phần trăm HI
bị phân hủy ở nhiệt độ này
Giải

2HI (k) ⇌

H2 (k) +

I2 (k)

ban đầu

2a

0

0

Phản ứng

2x

x

x

x

x

Cân bằng
Ta có

2(a-x)

x2

[ 2(a − x)]

2

1
=
⇒ x = 0.2a
64

Lúc đầu nồng độ HI là 2a (mol/lít). Khi đạt trạng thái cân
bằng có 2X = 0.4a mol phân hủy. Vậy HI bị phân hủy là
20%.

17


Hằng số cân bằng k và thế đẳng áp ∆G
Liên hệ giữa K và ∆G

∆G = ∆H − T ∆S = − RT ln K p = − RT
0

0

0

lg K p
lg e

= −2.303RT .lg K p
Biểu thức trên chỉ sử dụng chính xác đối với K p,còn Kc chỉ
đúng khi ∆v =0 hoặc phản ứng trong dung dịch.
0

0
∆
H
∆
S
⇒ RT ln K = −∆H 0 − T ∆S 0 ⇒ ln K = −
+
RT
R
K1
∆H 0 ∆H 0
∆H 0  1 1 
⇒ ln K1 − ln K 2 =
+
⇒ lg
=−
 − ÷
RT1
RT2
K2
4.576  T2 T1 

18


Từ đó ta có

∆G 0
ln K p = −
RT

∆G là biến đổi năng lượng tự do ở điều kiện chuẩn thức (áp suất
P = 1 atm, nhiệt độ T xác định).
∆G phụ thuộc vào nhiệt độ T.
Hệ thức trên cho biết có thể tính được hằng số cân bằng dựa vào
các đại lượng nhiệt động học của hóa chất.
Theo trên:
Nếu ∆Go <0 => Kp>1 và Kp càng tăng nếu ∆G càng âm
Do đó, với những phản ứng cân bằng tương ứng với ∆G rất âm
có khuynh hướng xảy ra gần trọn vẹn, ở mức cân bằng, nồng độ
sản phẩm rất lớn.
Nếu ∆Go>0=> Kp<1 và Kp càng nhỏ nếu ∆G càng dương
Vậy những phản ứng cân bằng ứng với ∆G càng dương thì càng
xảy ra không trọn vẹn, ở mức cân bằng, nồng độ sản phẩm tương
19
ứng rất nhỏ.


Ví dụ: Xét phản ứng: 2CO2 (k) +H2(k) ⇌ 2CO (k) + H2O (k) ,
xảy ra ở T=298 k, P= 1 atm
(đkc),
0
Hãy tính Kp?

∆H 298 pu = −41.16kJ và ∆S0298pu = 42, 4 J / K

Ta có

∆G = −41160 − 298.42, 4 = −53795, 2 J / mol
53795, 2

0
∆G = − RT ln K p ⇒ ln K p =
= 21,71
(8,314.298)
0

⇒ Kp = 2,69.10

9

20


Ví dụ 2: Tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng:
2 NO2(k)
↔
N2O4(k)
0
0
ở 298K khi biết ∆H 298
=
−
58
,
040
kJ
và
∆
S
pu

298pu = −176,6 J / K
Giải
0
0
∆G298
= ∆H 298
− T∆S 2980 = - 58040 + 298 × 176,6 = -5412.3J

∆G 0
5412,3
ln K p = −
=
= 2,185
RT
8,314 × 298

Kp =

p N 2 O4
p

2
NO 2

= 8,9
21


Tóm lại
Quan hệ của Kp với nhiệt độ và nhiệt phản ứng

∆G o = ∆H o − T∆S o

∆G o = − RT ln K p

ln K 1 = −

∆H 0

ln K 2 = −

RT1
∆H 0
RT2

+

∆S 0

+

R
∆S 0
R

K 2 ∆H 0  1 1 
=
ln
 − 
K1
R  T1 T2 

22


ví dụ 3
NO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k) . Tính Kp ở 3250C?
Biết: ∆H0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.106 ở 250C

K 598 ∆H 0  1
1 
=
−
ln

K 298
R  T298 T598 
K 598
56484  1
1 
=
−
−

 = −11,437
ln
6
8,314  298 598 
1,3.10
ln K 598 = 2.64
K 598 = 14.02
23

Sự chuyển dịch cân bằng: là sự chuyển từ một trạng thái cân
bằng khác dưới ảnh hưởng tác động của các yếu tố bên ngoài lên
hệ.
Ảnh hưởng của nồng độ:
Xét phản ứng aA + bB ⇌ cC + dD
Khi hệ cân bằng ta có K =
c
(t là hằng số)

[ C ] [ D]
a
b
[ A] [ B ]
c

d

= const

Nếu hệ đang ở trạng thái cân bằng mà ta thay đổi nồng độ
của một trong các chất thì cân bằng sẽ dịch theo chiều của
phản ứng nào có tác dụng chống lại sự thay đổi đó.
Ví dụ: H2 (k) + I2 (k) ⇌ 2HI (k)
Nếu [I2]

thì H2 + I2

2HI

Nếu [I2] thì H2 + I2
2HI
24
Chú ý nồng độ chất rắn không ảnh hưởng đến sự chuyển dịch


Ảnh hưởng của áp suất (hệ có chất khi và ∆v khác 0 )
Xét phản ứng mA(k) + nB(k) ⇌ pC(k) + qD(k)
Ta có

( PC ) p ( PD ) q
Kp =
( PA ) m ( PB ) n
⇒ K p = K c ( RT ) ∆v = const ; ∆v = ( p + q ) − (m + n)
khi ∆v > 0 nếu P tăng cân bằng chuyển dịch về phía trái, nếu
P giảm cân bằng chuyển dịch về phía phải, làm tăng thêm
lượng sản phẩm.
khi ∆v < 0 ngược lại.
25