Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 4: Cân bằng hóa học

IV. CÂN BẰNG HÓA HỌC
1. Phản ứng thuận nghịch và trạng thái cân
bằng hóa học
2. Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của
phản ứng hóa học
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hóa
học


1. Phản ứng thuận nghịch và trạng thái
cân bằng hóa học
a. Khái niệm về phản ứng thuận nghịch
b. Trạng thái cân bằng hóa học


a. Khái niệm về phản ứng thuận nghịch
• Phản ứng một chiều (phản ứng hoàn toàn): 
• Phản ứng thuận nghịch (phản ứng không hoàn toàn): ⇌


b. Trạng thái cân bằng hóa học
H2 + I2 = 2HI

vt = k t C I 2 C H 2
2
vn = k nC HI

Ở thời điểm ban đầu:  = 0:
Theo thời gian:

:

v

C H 2 , C I 2 = max  vt = max
CHI = 0

 vn = 0

CH2 , CI2 

 vt 

CHI 

 vn 

vt
vt = vn
vn
0

cb




Nhận xét về đặc điểm của phản ứng thuận nghịch:
• Ở cùng đk, pư có thể xảy ra theo cả chiều thuận và nghịch
• Kết quả pư không phụ thuộc vào hướng đi tới.
• Nếu điều kiện phản ứng không thay đổi thì dù kéo dài phản

ứng đến bao lâu, trạng thái cuối cùng của hệ vẫn giữa
nguyên: trạng thái cân bằng hóa học
• Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái cân bằng động
• Trạng thái cân bằng ứng với G = 0


2. Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra
của phản ứng hóa học
a. Hằng số cân bằng
b. Hằng số cân bằng và các đại lượng
nhiệt động


a. Hằng số cân bằng
aA + bB ↔ cC + dD
• Khi trạng thái đạt cân bằng:

vt = vn

k t .C Aa .C Bb = k n .C Cc .C Dd
k t CCc C Dd
KC =
= a b
k n C AC B

• K – hằng số ở nhiệt độ xác định: hằng số cân bằng.
• Cân bằng giữa các chất khí
c
d
pCc pDd CC RT  CD RT 

Kp = a b =
p A pB C A RT a CB RT b
Dn
K p = K C RT 
• Đối với phản ứng dị thể:
Ví dụ:

CCc CDd
c + d - a - b 
= a b RT 
C AC B

CaCO3(r) ⇌ CaO(r) + CO2(k)
K p =

pCaO pCO2
pCaCO3

→ K p = K p

pCaCO3
pCaO

= pCO2


b. Hằng số cân bằng và các đại lng nhiệt động
• Quan hệ giữa hằng số cân bằng và độ thay đổi thế đẳng áp
aA + bB ⇌ cC + dD
c

d


p
p
DGT = DGT0 + RT ln Ca Db 
 p A p B 

Khí

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0
 pCc pDd 
DG = - RT ln a b  = - RT ln K p
 p A pB  cb
0
T

Lỏng

 CCc C Dd
DGT = DG + RT ln a b
 C AC B
0
T





Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0

c
d

C
C
DGT0 = - RT ln Ca Db
 C AC B



Kp = f(bc pư, T)


 = - RT ln K C
 cb

Kp  f(C)


Q
DG = - RT ln K p + RT ln Q = RT ln
Kp

c
C
a
A

d
D

b
B

p p
Q=
p p

• Nếu Q < Kp → DG < 0 → phản ứng xảy ra theo chiều thuận
• Nếu Q > Kp → DG > 0 → phản ứng xảy ra theo chiều nghịch
• Nếu Q = Kp → DG = 0 → hệ đạt trạng thái cân bằng
Ví dụ: Tính hằng số cân bằng của phản ứng:
2 NO2(k)

↔

N2O4(k)

0
0
ở 298K khi biết DH 298
=
58
,
040
kJ
và
D
S
pu
298pu = -176,6 J / K

Giải:

0
0
DG298
= DH 298
- TDS 2980 = - 58040+ 298176,6= -5412.3J

DG 0
5412,3
ln K p = =
= 2,185
RT
8,314  298

Kp =

p N 2 O4
p

2
NO2

= 8,9



Quan hệ của Kp với nhiệt độ và nhiệt phản ứng
DG o = DH o - TDS o

DG o = - RT ln K p

ln K 1 = ln K 2 = -

DH 0
RT1
DH 0
RT2

+
+

DS 0
R
DS 0
R

K 2 DH 0  1 1 
=
- 
ln

K1
R  T1 T2 


Ví dụ
NO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k)

Tính Kp ở 3250C?

• Biết: DH0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.106 ở 250C

K 598 DH 0  1
1 
=
ln

K 298
R  T298 T598 
K 598
56484  1
1 
=
 = -11,437
ln
6
1,3.10
8,314  298 598 
ln K 325 = 2.64
K 325 = 14.02


3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng
hóa học
a. Sự dịch chuyển cân bằng
b. Ảnh hưởng của nồng độ tới sự dịch
chuyển cân bằng
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự dịch

chuyển cân bằng
d. Ảnh hưởng của áp suất tới sự dịch
chuyển cân bằng
e. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le
Chatelier (1850 – 1936, người Pháp).


a. Sự dịch chuyển cân bằng
aA + bB ⇌ cC + dD


pCc p Dd 
• Khi hệ đạt trạng thái cb: DGT = - RT  ln K p - ln a b  = 0
p A pB 

• Nếu p, C, T… thay đổi → DGT  0 → hệ  cb → vt  vn. →
Phản ứng xảy ra cho đến khi hệ đạt trạng thái cb mới.
→ sự chuyển dịch cân bằng.


b. Ảnh hưởng của C tới sự dịch chuyển cb

H2 + I2 ⇌ 2HI

•

vt = k t C H 2 C I 2
2
vn = knCHI

• Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt = vn
• Nếu tăng nồng độ H2 lên 2 lần:

vt' = kt 2C H 2 CI 2 = 2vt

vn' = v n
• → Khi C

H2

↑ vt↑ → cb chuyển dịch theo chiều thuận → C

H2

↓


c. Ảnh hưởng của T tới sự dịch chuyển cb
0

DH
DS
ln K p = +
RT
R

0

• Nếu DH0 > 0: khi T ↑ → K↑ → cb: thuận (thu nhiệt).
Khi T↓ → K ↓ → cb: nghịch (tỏa nhiệt).

• Nếu DH0 < 0: Khi T↑ → K↓ → cb: nghịch (thu nhiệt).
Khi T↓ → K ↑ → cb: thuận (tỏa nhiệt).


Ví dụ

•

2NO2(k)
⇌
N2O4(k),
DH0 = -58,04kJ
Màu nâu
không màu
2
Ở 298K ta có Kp = 8,9 → p N O = 8,9 p NO
2 4
2

K 273 DH 0  1
1 
=


ln
K 298
R  298 273 
K 273 - 58040
-4
=


ln
( 3,07.10 ) = 2,145
8,9
8,314
ln K 273 = 2,186 + 2,145 = 4,331
K 273 = 76,02
Ở 273K

p N 2O4 = 76,02 p

2
NO2


d. Ảnh hưởng của p tới sự dịch chuyển cb
Ví dụ:

2NO(k)+ O2(k) ⇌ 2NO2(k)

2
vt = k t C NO
C O2
2
v n = k n C NO
2

• Khi tăng P lên 2 lần nồng độ các chất đều tăng gấp đôi.
2

v = kt 2C NO  .2CO2 = 8kt C .CO2 = 8vt
'
t

'
n



v = kn 2C NO2

2
NO



2

2
= 4k nC NO
= 4vn
2

• P↑ 2 lần → cb: phải → tạo thêm NO2 → ∑n ↓ → P↓.
• P↓ 2 lần → cb: trái → tạo thêm NO và O2 → ∑n ↑ → P↑.


e. Nguyên lý chuyển dịch cb Le Chatelier
Phát biểu: Một hệ đang ở trạng
thái cân bằng mà ta thay đổi

một trong các thông số trạng
thái của hệ (nồng độ, nhiệt độ,
áp suất) thì cân bằng sẽ dịch
chuyển theo chiều có tác dụng
chống lại sự thay đổi đó.