Chuong9 cân bằng hóa học

Chöông 9
CAÂN BAÈNG HOÙA HOÏC


PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH
TRẠNG THÁI CÂN BẰNG
Khái niệm phản ứng thuận nghòch


Phản ứng thuận nghòch là phản ứng xảy ra
theo hai chiều: Tạo sản phẩm và sản phẩm
phân hủy thành tác chất. Thực tế, đa số đều
là phản ứng thuận nghòch.



Đặc điểm là bao giờ trong hệ cũng cùng tồn
tại tác chất và sản phẩm.


• Xét chất không màu khi làm lạnh N2O4. Ở nhiệt
độ phòng nó bò phân hủy thành NO2 màu nâu:
N2O4(k)  2NO2(k)
(khi t tăng)
• Sau một thời gian, màu ngừng thay đổi và ta có
hỗn hợp của N2O4 và NO2.
• Cân bằng hóa học của một hệ xác đònh là điểm
mà tại đó nồng độ của tất cả các cấu tử không đổi
nữa.
• Cân bằng hóa học xảy ra khi phản ứng thuận và
phản ứng nghòch bằng nhau về tốc độ phản ứng.

• Sử dụng mô hình tương tác cho cân bằng hóa
học:
• Lúc bắt đầu phản ứng, không có phân tử NO2 nào
phản ứng ngược lại (2NO2(k)  N2O4(k)).
• Chỉ có sản phẩm NO2 được tạo thành.

• Khi lượng NO2 đủ lớn, bắt đầu có sự tạo thành N2O4
từ 2 phân tử NO2 tương tác với nhau.
• Tức là phản ứng nghòch sẽ xảy ra và gia tăng tốc độ
theo sự gia tăng sản phẩm tạo thành.


Cân bằng động học
• Điểm mà tại đó tốc độ của sự phân hủy:
N2O4(k)  2NO2(k)
bằng với tốc độ của sự nhò hợp (dimerization):
2NO2(g)  N2O4(g).
là cân bằng động học.
• Gọi là cân bằng động là bởi vì phản ứng thực tế không
dừng lại, chỉ có điều tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ
phản ứng nghòch.


• Khi đạt cân bằng, cứ bao nhiêu N2O4 phân hủy tạo NO2
thì cũng có bấy nhiêu NO2 phản ứng tạo N2O4:

N2O4(g)
2NO2(g)

• Mũi tên đôi chứng tỏ cân bằng động.
A

B

Phản ứng thuận: A  B VT = kT[A]
Phản ứng nghòch: B  A VN = kN[B]

• Tại cân bằng kT[A] = kN[B], hỗn hợp phản ứng lúc này
gọi là hỗn hợp cân bằng.


N2(k) + 3H2 (k)  2NH3 (k)

 2NH3 (k)  N2(k) + 3H2 (k)

Dù đi từ phía nào để đến trạng thái cân bằng thì trạng
thái này cũng chỉ là một mà thôi.
Cân bằng bò chuyển dòch nếu tác động vào hệ.
Điều kiện trạng thái cân bằng G = 0.


HẰNG SỐ CÂN BẰNG
Cho phản ứng tổng quát trong pha khí:
aA (k) + bB (k)  cC (k) + dD (k)
Vận tốc phản ứng:
VT = kTPaAPbB
VN = kNPcCPdD, PX là áp suất riêng phần
của chất X, xác đònh theo đònh luật Dalton.
Khi VT = VN, phản ứng đạt cân bằng, rút ra:




kT PCc PDd
 a b K
k N PA PB
Hằng số cân bằng, phụ thuộc bản chất phản ứng,
nhiệt độ và không phụ thuộc nồng độ.
Với một phản ứng trong dung dòch:
c
C
a
A

C C
K
C C

d
D
b
B

Trong đó CX là hoạt độ (hay nồng độ trong dung dòch
loãng) của chất X.


Đònh luật tác dụng khối lượng
 “Khi

một hệ đồng thể đạt đến cân bằng thì
tích nồng độ của các sản phẩm phản ứng chia
tích nồng độ các chất phản ứng - với số mũ
tương ứng là hệ số tỉ lượng – luôn là một hằng
số ở điều kiện nhiệt độ nhất đònh.”




Liên hệ giữa KP và KC:
 Trong một

phản ứng ở pha khí, liên hệ này được
diễn tả như sau:
 Vì PV = nRT
  P = (n/V)RT = CRT (Vì n/V =C, nồng độ
mol/lit).
 Thay vào biểu thức tính KP bên trên, ta có:

KP = KC(RT)n
 n

= (c+d)-(a+b), chỉ áp dụng cho các chất khí.


Tính chất của hằng số cân bằng
• K dựa trên áp suất riêng phần của khí, hoạt độ
(hay nồng độ mol) của tác chất và sản phẩm tại vò
trí cân bằng.
• K có thứ nguyên, nhưng thường thì bò bỏ qua.

• Hằng số cân bằng diễn tả tỉ lệ sản phẩm so với tác
chất.
• K>>1 tức là sản phẩm chiếm ưu thế.
• K<<1 tức là tác chất chiếm ưu thế.






Hằng số cân bằng theo chiều thuận bằng nghòch đảo
hằng số cân bằng theo chiều nghòch.
2NO2(g)
Ví dụ phản ứng N2O4(g)
có hằng
số cân bằng tại 1 điều kiện nào đó là:
P2
Keq 

NO 2

 6.46

P

N 2O 4



Thì hằng số cân bằng của phản ứng theo chiều

nghòch lại là: 2NO2(g)
N2O4(g)
P

1
N 2O4
Keq 
 0.155 
2
6.46
P
NO 2




Hằng số cân bằng bội:



Ví dụ phản ứng: N2O4(g)
Thì phản ứng: 2N2O4(g)

2NO2(g)
4NO2(g)

K 

K 

2
PNO
2

PN 2 O 4
4
PNO
2

PN2 2 O 4

là bình phương của hằng số cân bằng ở trên.
Quy ước: Khi viết hằng số cân bằng thì viết cho
những tương tác nguyên đơn giản nhất. Tức là viết
cho các hệ số tỉ lượng tối giản.


CÂN BẰNG DỊ THỂ
• Khi các tác chất và sản phẩm cùng pha ta có cân
bằng đồng thể.
• Nếu một hay nhiều tác chất hoặc sản phẩm ở pha
khác nhau ta có cân bằng dò thể.
• Xét phản ứng:

CaCO3(s)

CaO(s) + CO2(g)

– Thực nghiệm cho thấy lượng CO2 không phụ thuộc vào
lượng CaO và CaCO3.

• Nồng độ của chất rắn Cr và chất lỏng tinh khiết bằng tỉ
trọng d [m/V] chia cho khối lượng mol mM[m/mol].
Cr = d/mM, [m/V]/[m/mol] = [mol/V]
• Cả d và mM đều không đổi  Nồng độ chất rắn và
lỏng tinh khiết là hằng số.
• Với phản ứng phân huỷ CaCO3:
[CaO]
K eq 
 [CO 2 ]  constant  [CO 2 ]
[CaCO3 ]

• Keq/const bây giờ đặt bằng K, vậy KC = [CO2] hay
dùng liên hệ KC và KP, ta có KP = P[CO2].


CÁC VÍ DỤ TÍNH K


472 o, hỗn hợp tại cân bằng của phản ứng
dưới đây có 0.1207 M H2, 0.0402 M N2, và
0.00272 M NH3. Tính hằng số cân bằng KC
và KP.
N2(g) + 3H2(g)
2NH3(g)

Ta có KC = [NH3]2/([N2].[H2]3)
Ở đây các khí nằm trong cùng một bình phản ứng
nên tỉ lệ nồng độ cũng là tỉ lệ số mol.

Dùng liên hệ KP = KC(RT)n để tính KP.


Bài 1: Khí HI được cho vào bình kín ở 425 oC, phản ứng phân huỷ
xảy ra như sau:
2HI (k)
H2(k) + I2(k).
a/ Lúc cân bằng, ta có [HI] = 3.35*10-3M; [H2] = 4.79*10-4M;
[I2] = 4.79*10-4M. Tính KC và KP ở nhiệt độ này.
b/ Tính nồng độ ban đầu của HI.
Bài 2: Một hỗn hợp 0.1 mol NO, 0.05 mol H2, và 0.05 mol hơi H2O
được cho vào bình 1 lit. Cân bằng sau đấy được thiết lập:
2NO(g) + 2H2(g)
N2(g) + 2H2O(k)
 Tính K, biết lúc cân bằng có 0.05 mol NO trong hỗn hợp.


Bài 3:Một hỗn hợp 5.10-3 mol H2 và 1.10-2 mol I2 được
cho vào bình 5 lít ở 448 oC và để đạt đến cân bằng.
Lúc đó nồng độ HI là 1.87 x 10-3 M. Tính K ở 448 oC
cho phản ứng
H2(g) + I2(g)
2HI(g)
Bài 4: Một lượng vừa đủ NH3 hòa tan vào 5 lit nước ở 25
oC để có thể tạo thành dung dòch 0.0124 M. Dung dòch
sau đấy để đạt đến cân bằng. Trong dung dòch lúc này
có nồng độ OH- là 4.64 x 10-4M. Tính K của phản ứng
sau ở 25 oC.
• NH3(k) + H2O(l)
NH4+(dd) + OH-(dd)

Liên hệ K và G
G 0  H 0  TS0   RT ln K P  2.303RT lg K P

Biểu thức này chỉ sử dụng chính xác đối với
KP, còn KC chỉ đúng khi n = 0 hoặc phản
ứng trong dung dòch.
 Ta có:


G 0  RT ln K, vàG 0  H 0  TS0
 RT ln K  H 0  TS0


0

H
S
 ln K  

RT
R


0

Với K1 và K2 ứng với T1 và T2, ta có:
H 0 H 0
 ln K 1  ln K 2  


RT1 RT2
K2
H 0  1
1
  
 lg

K1
4.576  T2 T1 



Từ đây sẽ tính được KT nếu biết K ở một
nhiệt độ biết trước.


CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG
NGUYÊN LÝ LE CHATELIER


Nguyên lý Le Chatelier
 “Khi

tác dụng từ ngoài
vào hệ cân bằng bằng cách
thay đổi một điều kiện nào
đó ảnh hưởng đến vò trí
cân bằng, thì vò trí cân
bằng của hệ sẽ dòch

chuyển về phía làm giảm
hiệu quả tác dụng đó.”

1850 - 1936


Ảnh hưởng của nồng độ
Ví dụ: Xét phản ứng
H2 (k) + I2 (k)  2HI (k)
Khi cân bằng
a
b
c (mol/l)
Ta có kT.ab = kN.c2 (VT = VN)
Giả sử tăng nồng độ H2 lên 2 lần  2a, bây giờ tốc độ phản
ứng thuận là
V’T = kT.2ab > VT  V’T>VN
 Chiều thuận là chiều chuyển dòch của phản ứng làm giảm H2
thêm vào (chống lại sự thay đổi nồng độ).




Kết luận:Vậy khi tăng nồng độ một chất khi hệ đạt cân
bằng, hệ sẽ dòch chuyển theo chiều làm giảm nồng độ
chất đó (và thiết lập cân bằng mới).


Ảnh hưởng của áp suất


Đối với hệ phản ứng có chất khí và điều kiệnn (k)
 0.
Xét hệ N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k)

Khi cân bằng
a
b
c
(atm)
kTab3 = kNc2, ở t = const.
Giả sử ta nén hệ để tăng áp suất tổng lên 2 lần,
tức là áp suất riêng phần các khí tăng lên 2
lần.


Ta có:
V’N = kN(2c)2 = 4kNc2 = 4VN.
V’T = kT(2a)(2b)3 = 16kNab3 = 16VT. Mà VT=VN
 V’T > V’N, hay phản ứng dòch chuyển theo chiều
thuận.

Kết luận: Cân bằng chuyển dòch theo chiều
thuận, tức là chiều làm giảm số mol khí
của hệ để làm giảm suất hệ.