tài liệu full về cân bằng hoá học dành cho thi học sinh giỏi và ôn thi đại học cao đẳng

____________________TrầnMinhNguyên(fb:NguyênTrần)_________________
CÂN BẰNG HÓA HỌC
I.

ÐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG.
1.
Trường hợp cân bằng giữa các khí có thể xem như khí lý tưởng.
2.
Trường hợp cân bằng trong dung dịch lỏng.
Sự liên hệ giữa hằng số cân bằng K với biến đổi năng lượng tự do
ứng.
ÐỊNH LUẬT DỜI ÐỔI MỨC CÂN BẰNG LE CHÂTELIER.
1.
Ảnh hưởng của nồng độ.
2.
Ảnh hưởng của áp suất.
3.

II.

của phản

Phản ứng
được gọi là phản ứng cân bằng hay thuận nghịch khi nó xảy
ra theo hai chiều ngược nhau trong cùng một điều kiện. Do đó, phản ứng cân bằng xảy ra không
hoàn toàn, nghĩa là sau phản ứng không những thu được sản phẩm (C, D) mà còn có cả các tác
chất (A, B).
Thí dụ: Với phản ứng ester hóa giữa acid acetic

với rượu

etilic
CH3-COOH + CH3-CH2-OH

CH3-COO-CH2-CH3 + H2O

Nếu lấy 1mol
cho tác dụng với 1mol
ứng đã đạt mức cân bằng (coi như phản ứng
xong), ta thu được 2/3 mol ester

thì sau khi phản

mol rượu

Phản ứng cân bằng
được gọi là đạt trạng thái cân bằng khi trong cùng một
đơn vị thời gian nếu có bao nhiêu phân tử tác chất (A, B) mất đi do tham gia phản ứng thuận để
tạo sản phẩm (C, D) thì cũng có bấy nhiêu phân tử tác chất (A, B) được tạo trở lại từ phản ứng
nghịch, lúc đó vận tốc phản ứng thuận và vận tốc phản ứng nghịch bằng nhau, lúc này nồng độ
các chất trong phản ứng không thay đổi nữa.
Cân bằng hóa học được gọi là cân bằng động vì thực ra luôn luôn có phản ứng thuận và nghịch
xảy ra nhưng do lượng các chất trong hệ phản ứng không thay đổi khi phản ứng đạt trạng thái


cân bằng nên phản ứng được coi như xong. Hơn nữa, có thể làm thay đổi trạng thái cân bằng của
phản ứng bằng cách thay đổi các yếu tố như nồng độ các chất, nhiệt độ, áp suất.
I. ÐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG
Ðịnh luật này do Gulberg, Waage (Na Uy) đưa ra năm 1864, nhằm xác định trạng thái cân bằng
của một phản ứng cân bằng.
1. Trường hợp cân bằng giữa các khí có thể xem như khí lý tưởng

a. Hằng số cân bằng Kc
Xét phản ứng cân bằng:

Gọi
lần lượt là hằng số vận tốc của phản ứng thuận và nghịch. Giả sử phản ứng thuận
cũng như phản ứng nghịch đều thuộc loại đơn giản (nghĩa là phản ứng chỉ xảy ra trong một giai
đoạn, bậc phản ứng riêng phần của mỗi tác chất bằng hệ số tỉ lượng nguyên tối giản đứng trước
mỗi tác chất trong phản ứng).
Vận tốc phản ứng thuận là:
v1 = k1[A][B]
Vận tốc phản ứng nghịch là:
v-1 = k - 1[C][D]
Giả sử lúc bắt đầu phản ứng, chỉ có A, B hiện diện. Vận tốc phản ứng thuận
vận tốc phản ứng nghịch
càng giảm
Như vậy,

lúc đầu rất lớn,

bằng không. Phản ứng càng xảy ra lâu, nồng độ các tác chất A, B

, nồng độ các sản phẩm C, D càng tăng
giảm dần theo thời gian, còn

.

tăng dần theo thời gian. Sau một thời gian vận tốc

phản ứng thuận v1 sẽ bằng vận tốc phản ứng nghịch
bằng, phản ứng được coi như xong.

v1 = v- 1
=> k1[A][B] = k_ 1[C][D]

, lúc này phản ứng đạt trạng thái cân

=>
Vì
là các hằng số vận tốc phản ứng, chỉ tùy thuộc nhiệt độ (và tùy thuộc bản chất của
phản ứng), cho nên ứng với một nhiệt độ xác định (và một phản ứng xác định), ta có:


cb: cân bằng, chỉ nồng độ các chất C, D, A, B lúc đạt trạng thái 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.
Hệ thức trên biểu diễn sự liên hệ giữa nồng độ hóa chất (tức khối lượng của hóa chất) lúc cân
bằng, chính là nội dung của định luật tác dụng khối lượng.
Có thể phát biểu định luật này như sau: Khi một phản ứng đồng thể đạt trạng thái cân bằng thì tỉ
số tích số nồng độ sản phẩm với tích số nồng độ tác chất là một hằng số ở một nhiệt độ xác định.
Tổng quát với phản ứng:
mA + nB
pC + qD
người ta chỉ rằng:

Với [A], [B], [C], [D] là nồng độ của A, B, C, D lúc cân bằng.
Thí dụ: với phản ứng:
2NOCl(k)

2NO(k) + Cl2(k)

thì
b. Hằng số cân bằng Kp
Hằng số cân bằng này liên hệ đến áp suất riêng phần của hóa chất ở thể khí lúc cân bằng (lúc đạt
trạng thái cân bằng).
[ Áp suất riêng phần của mỗi cấu tử của hỗn hợp có thể tích chung là V là áp suất mà cấu tử ấy
có khi nó đứng riêng một mình và cũng chiếm thể tích V của hỗn hợp ở cùng nhiệt độ ].
Xét phản ứng:
Gọi PA, PB, PC, PD lần lượt là áp suất riêng phần của các khí A, B, C, D có thể xem như khí lý
tưởng lúc cân bằng
, 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).
Từ


Thay [A], [B], [C], [D] vào biểu thức của hằng số cân bằng KC:

(4-3)

Do KC chỉ phụ thuộc nhiệt độ
cũng chỉ phụ thuộc nhiệt độ T.
c. Hằng số cân bằng Kx
Hằng số cân bằng này liên hệ đến phân số mol (phân mol, phần mol) của các chất trong phản
ứng.
[ Phân số mol (phân mol hay phần mol) x của cấu tử i trong hỗn hợp gồm nhiều cấu tử là tỉ số
giữa số mol của i với tổng số mol của các cấu tử có trong hỗn hợp.

Xét phản ứng:
Gọi P là áp suất của hỗn hợp khí lúc cân bằng;
D lúc cân bằng.

lần lượt là phân số mol của A, B, C,


Với

Thế

là tổng số mol hỗn hợp gồm các khí A, B, C, D lúc cân bằng.

của phản ứng:

: Tổng hệ số mol khí sản phẩm = tổng hệ số mol khí tác chất
Như vậy hằng số cân bằng Kx phụ thuộc vào nhiệt độ T và áp suất tổng quát P của hỗn hợp khí
lúc cân bằng.
Nếu
=> p + q = m + n
=> Tổng hệ số mol khí bên sản phẩm = Tổng hệ số mol khí bên tác chất

Chú thích:
- Người ta chỉ rằng trong biểu thức của các hằng số cân bằng liên hệ đến khí nêu trên, ta không
chú ý đến các chất lỏng và chất rắn.
Thí dụ:


CaCO3(r)
Kp = PCO2

CaO(r) + CO2(k)

NH4Cl(r)

HCl(k) + NH3(k)
Kp = PHCl.PNH3
HCl(k) + NH3(k)

NH4Cl(r)

Kp =
- 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.
Thí dụ: với phản ứng

Với phản ứng

2. Trường hợp cân bằng trong dung dịch lỏng

Trong trường hợp này, thường hằng số cân bằng
Với phản ứng:

được áp dụng cho dung dịch loãng.

mA(dd) + nB(dd)
pC(dd) + pD(dd)
Người ta cũng chỉ rằng:

Với [C], [D], [A], [B] lần lượt là nồng độ của C, D, A, B trong dung dịch lúc phản ứng đạt trạng
thái cân bằng.
Trong trường hợp dung dịch lỏng nếu trong hệ phản ứng có hiện diện chất rắn thì ta không chú ý
đến chất rắn.
Thí dụ:

Với

, trong dung dịch có cân bằng với pha rắn AgCl.

3. Sự liên hệ giữa hằng số cân bằng K với biến đổi năng lượng tự do

của phản ứng

Xem phản ứng cân bằng của các hóa chất ở thể khí:
mA(k) + nB(k)
pC(k) + qD(k)
Biến đổi năng lượng tự do (G của phản ứng là:
(4-12)
Với khí có thể xem như khí lý tưởng, ở điều kiện đẳng nhiệt, sự phụ thuộc của hàm số năng
lượng tự do G theo áp suất P là:

Trong đó

là trị số năng lượng tự do của 1 mol i ở 1atm, ứng với nhiệt độ T.

(4-13)
Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng ở áp suất P, nhiệt độ T thì:


là biến đổi năng lượng tự do ở điều kiện chuẩn thức (áp suất P = 1 atm, nhiệt độ T xác định).
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
Do đó, với những phản ứng cân bằng tương ứng với
trọn vẹn, ở mức cân bằng, nồng độ sản phẩm rất lớn.

rất âm có khuynh hướng xảy ra gần

- Nếu
Vậy những phản ứng cân bằng ứng với
càng dương thì càng xảy ra không trọn vẹn, ở mức
cân bằng, nồng độ sản phẩm tương ứng rất nhỏ.
Với trường hợp dung dịch lỏng và loãng với phản ứng:
mA(dd) + nB(dd)
pC(dd) + qD(dd)
Ở trạng thái chuẩn thức thích hợp, người ta cũng chứng minh được hệ thức:

Lúc phản ứng đạt trạng thái cân bằng, ta có:

II. ÐỊNH LUẬT DỜI ÐỔI MỨC CÂN BẰNG LE CHÂTELIER
"Trong một phản ứng cân bằng, sự 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".
Chúng ta sẽ xét một số yếu tố có thể làm thay đổi mức cân bằng:
1. Ảnh hưởng của nồng độ
Sự thay đổi nồng độ của một chất sẽ làm cân bằng dời đổi theo chiều chống lại sự thay đổi ấy.
Nghĩa là nếu làm tăng nồng độ một chất thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm nồng
độ của chất này xuống, tức là chiều chất này tham gia phản ứng; còn nếu làm giảm nồng độ của


một chất (như lấy bớt chất này ra khỏi hệ phản ứng) thì cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều làm
tăng nồng độ chất này lên, tức là chiều phản ứng tạo ra thêm chất này.

Xem phản ứng cân bằng:
A+B
C+D
Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng, ta có:

Nếu lúc bấy giờ, thêm chất A vào hệ phản ứng thì

vẩn giữ nguyên trị số cũ

(không đổi) thì
phải tăng, nên phản ứng cân bằng sẽ dời đổi theo
chiều làm giảm A, tạo ra thêm C, D cho đến khi nào các nồng độ mới đạt được trị số như thế nào
để cho:

Tương tự, sau khi phản ứng đạt được trạng thái cân bằng, bây giờ nếu ta lấy bớt C hoặc D ra khỏi
môi trường phản ứng, thì cân bằng sẽ bị phá vỡ và cân bằng mới sẽ được thiết lập theo hướng tạo
ra thêm C, D.
Nói chung muốn phản ứng cân bằng:
A+B
C+D
Cho ra nhiều sản phẩm C, D thì người ta có thể:
- Làm tăng nồng độ tác chất A, B.
- Hay làm giảm nồng độ sản phẩm C, D.
2. Ảnh hưởng của áp suất
Trong một phản ứng cân bằng có liên hệ đến khí, khi làm tăng áp suất thì mức cân bằng sẽ dời
đổi theo chiều chống lại sự tăng áp suất, tức là chiều làm giảm số mol khí, còn khi làm giảm áp
suất thì mức cân bằng sẽ dời đổi theo chiều làm tăng áp suất lên, tức là chiều tạo ra nhiều số mol
khí hơn.

(4-16)

Với
* Nếu

tổng số hệ số mol khí sản phẩm - tổng số hệ số mol khí tác chất.
=> số mol khí bên sản phẩm < số mol khí bên tác chất.

Sưu tầm : Trần Minh Nguyên Fb : Nguyên Trần