Hoa silicat: Chương 1 (Phần II)

Chương 1: Những khái niệm cơ bản
87
87

PHẦN THỨ HAI
GIẢN ĐỒ CÁC HỆ SILICAT

CHƯƠNG 1
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 CÂN BẰNG CỦA HỆ ĐỒNG THỂ
Hệ đồng thể là một hệ các cấu tử tạo nên hệ nằm trong cùng một pha lỏng hay
cùng một pha khí và giữa các cấu tử không có bề mặt phân chia giới hạn với nhau.
Ví dụ: hỗn hợp khí là một hệ đồng thể.
Phản ứng giữa các khí với nhau, hay giữa các dung dòch tan lẫn vô hạn là phản
ứng trong hệ đồng thể. Ngược lại nếu trong một hệ mà có phản ứng giữa khí và rắn,
hay rắn và lỏng…gọi là hệ dò thể vì các phần tạo thành hệ bò tách biệt nhau bởi một
mặt giới hạn.
Phản ứng đồng thể có trường hợp thuận chiều (phản ứng tiến tới vô cùng) hay
thuận nghòch (phản ứng theo hai chiều ở cùng một điều kiện như nhau).
Ví dụ: ở nhiệt độ cao khí cacbonit (CO
2
) sẽ tác dụng với hydro (H
2
) để tạo
thành oxit cacbon và nước
22 2
CO H CO H O
+ +฀ (1)
Khí CO
2

phản ứng với H
2
ở 1200
0
C để tạo thành CO và H
2
O

làm cho số phân
tử CO
2
, H
2
ngày càng giảm và số phân tử CO và H
2
O ngày càng tăng lên. Nếu lượng
phân tử CO và H
2
O tăng lên quá nhiều sẽ có thời gian nào đó xảy ra phản ứng
ngược lại CO tác dụng với H
2
O tạo thành CO và H
2
. Do đó phản ứng trên sẽ ngừng
khi lượng vật chất tham gia phản ứng bằng lượng vật chất tạo thành sau phản ứng,
khi đó giữa các vật chất tham gia phản ứng và vật chất tạo thành sau phản ứng tạo
nên một cân bằng động học. Từ đó ta rút ra kết luận:
“Cân bằng của một hệ là trạng thái của vật chất trong phản ứng khi có tốc độ
phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghòch”.
Trong điều kiện áp suất, nhiệt độ, nồng độ như nhau thì hệ nằm ở trạng thái

cân bằng bền. Nhưng nếu ta thay đổi nhiệt độ, áp suất, hay nồng độ thì cân bằng bò
phá vỡ, sau đó nó lại lập nên cân bằng khi tạo nên một tỷ lệ tương ứng giữa các vật
chất tham gia phản ứng sản phẩm tạo thành sau phản ứng.
Tóm lại: cân bằng của một hệ có thể phụ thuộc vào ba yếu tố cơ bản: nhiệt độ,
áp suất, và nồng độ.
Xét phương trình phản ứng sau:
AB CD
+ +฀ (2)
Tại thời điểm cân bằng tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghòch
(V
1
= V
2
).
1
2
V
V
AB CD
CD AB
+ ⎯⎯→+
+ ⎯⎯→+

Chương 1: Những khái niệm cơ bản
88
88

Tốc độ của phản ứng lưỡng phân tử tỉ lệ với tích số nồng độ của vật chất tham
gia phản ứng:
1AB

2CD
VK'.C.C
VK".C.C
=
=

trong đó C
A
: nồng độ chất A C
B
: nồng độ chất B
C
C
: nồng độ chất C C
D
: nồng độ chất D
Tại thời điểm cân bằng ta có V
1
= V
2
, do đó
A. B C D
K'.C C K".C .C
= hay
AB
CD
C.C K"
C.C K'
= (3)
ta ký hiệu:

C
K"
K
K'
=
, từ đó phương trình trên sẽ là
AB
C
CD
C.C
K
C.C
= (4)
kết quả là “Tại thời điểm cân bằng tỷ lệ giữa tích số nồng độ vật chất ban đầu
trên tích số nồng độ vật chất cuối là một đại lượng không đổi gọi là hằng số cân
bằng” –tỷ lệ trên biểu thò đònh luật tác dụng khối lượng.
Khi xét tổng quát, ta có:
mA nB pC qD
+ +฀ (5)
(m, n, p, q) hệ số chỉ lượng phân tử vật chất có trong phản ứng từ đó ta rút ra:
mn
AB
C
pq
CD
C.C
K
C.C
= (6)
Hệ số chuyển thành mũ thừa

Ký hiệu Nồng độ C
A
của vật chất A là [A]
Nồng độ C
B
của vật chất B là [B]
Nồng độ C
C
của vật chất C là [C]
Nồng độ C
D
của vật chất D là [D]
Thay vào (6), ta có
mn
C
pq
A.B
K
C.D
= (7)
K
C
: hằng số cân bằng
Từ (7) ta thấy muốn tăng sản phẩm phản ứng cần phải tăng một trong số vật
chất ban đầu (vật chất tham gia phản ứng) hay tách khỏi phản ứng một trong số vật
chất được tạo thành sau phản ứng.
Ví dụ:
22 2
CO H CO H O++฀
Nếu ta khử bớt lượng nước tạo thành sau phản ứng thì phản ứng sẽ đi đến cùng

và tất cả lượng CO
2
đều phản ứng với H
2
để tạo thành CO.
Trong trạng thái lỏng, hệ nằm ở thời điểm cân bằng, nếu ta thay đổi áp suất
cũng không ảnh hưởng gì, nhưng nếu hệ nằm trong trạng thái khí thì thay đổi áp
suất ảnh hưởng rất lớn đến cân bằng.
Để biểu thò ảnh hưởng áp suất cân bằng đến sự thay đổi cân bằng của phản
ứng trạng thái khí tiên nhất là ta thay đổi vò trí nồng độ vật chất bằng áp suất riêng
phần của chất khí, khi đó đònh luật tác dụng khối lượng của chất khí sẽ biểu diễn
như sau:
Chương 1: Những khái niệm cơ bản
89
89
AB
P
CD
P.P
K
P.P
= (8)
trong đó P
A
, P
B
, P
C
, P
D

là áp suất riêng phần của chất khí trong phản ứng.
Dạng tổng quát biểu diễn như sau:
mn
AB
P
pq
CD
P.P
K
P.P
=
(9)
Tỷ lệ giữa hàng số K
C
và K
P
có thể tính được nhờ phương trình trạng thái chất
khí:
p.v = nRT (10)
n
pRT
v
=
(11)

n
C
v
= : lượng phân tử trong một đơn vò thể tích
Thay

n
C
v
=
vào phương trình (11)
pCRT
=

p
C
RT
=
(12)
Thay trò số của C vào phương trình (6), ta có:
mn
AB
C
pq
C
D
PP
().()
RT RT
K
P
P
().()
RT RT
=
(13)

Từ phương trình (13) ta rút ra:
mn p q
AB
C
pq m n
CD
P.P
(RT) .(RT)
.K
P.P (RT) .(RT)
= (14)
thay
mn
AB
P
pq
CD
P.P
K
P.P
= vào (14) ta có kết luận
1- Nếu m + n = p + q, có nghóa là hệ ở trạng thái cân bằng, K
C
= K
P
vì RT
lũy thừa không bằng 1, khi đó áp suất có thay đổi nhưng cân bằng hệ không thay đổi
vì số phân tử gam vật chất tham gia phản ứng bằng số phân tử gam vật chất tạo
thành sau phản ứng.
2- Nếu m + n > p + q có nghóa lượng vật chất tham gia phản ứng có số phân

tử lớn hơn lượng vật chất tạo thành sau phản ứng. Khi tăng áp suất cân bằng chuyển
dòch về phía giảm áp suất hay tạo thành C + D.
3- Nếu m + n < p + q chứng tỏ số phân tử vật chất tạo thành sau phản ứng
lớm hơn số phân tử vật chất tham gia phản ứng, do đó phản ứng theo chiều ngược
lại. Khi tăng áp suất cân bằng chuyển dòch về phía tạo thành A + B.
Ở trên ta mói xét ảnh hưởng của nồng độ và áp suất, còn nhiệt độ là một yếu
tố quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến cân bằng của hệ.



Chương 1: Những khái niệm cơ bản
90
90

Theo Vanhốp ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng của hệ phát biểu như sau:
“Nếu ta tăng nhiệt độ thì hệ đang nằm ở trạng thái cân bằng sẽ chuyển dòch cân
bằng về phía xảy ra quá trình nhiệt, giảm nhiệt độ cân bằng sẽ chuyển dòch ngược
lại”.
Theo LơSatơliê ta có “Hệ đang nằm ở trạng thái cân bằng ta tác dụng thay đổi
các điều kiện bên ngoài hệ thì hệ số chuyển dòch cân bằng về phía tác dụng ngược
lại với điều kiện thay đổi trên”
Ví dụ: tăng áp suất cân bằng chuyển dòch về phía giảm áp suất, tăng nhiệt độ
cân bằng chuyển dòch về phía thu nhiệt.
Nguyên tắc trên không những chỉ dùng cho hệ đồng thể mà có thể dùng cho
những cân bằng của hệ dò thể, nhưng chỉ sử dụng trong một giới hạn nhất đònh.
Ví dụ: xét phản ứng phân hủy Cacbonat canxi
32
CaCO CaO CO
+฀ 32,8Kcal
CaCO

3
bò phân hủy phải thu một lượng nhiệt, do đó muốn cho quá trình đi theo
chiều từ trái sang phải nhất thiết ta phải nung và cung cấp cho nó một nhiệt lượng
nhất đònh. Nếu sản phẩm của phản ứng là CaO và CO
2
tiếp xúc với nhau trong điều
kiện lượng CaCO
3
ban đầu còn dư và ở nhiệt độ thấp thì thành CaCO
3
. Quá trình
phản ứng theo chiều ngược lại thực tế gọi là cacbonat hóa trong xây dựng khi ta
dùng hồ vữa bằng vôi.
Có thể xác đònh ảnh hưởng áp suất đến quá trình phản ứng (chủ yếu ta xét đến
quá trình thuận phân hủy CaCO
3
), nhưng phải giả thiết trước là CaCO
3
, CaO có áp
suất hơi riêng phần rất nhỏ không đáng kể và cũng coi chúng nằm trong trạng thái
khí. Vì ta coi áp suất hơi CaCO
3
, CaO rất nhỏ, nên có thể xem như áp suất của
chúng là những hằng số.
Khi đó trạng thái cân bằng của phản ứng phân hủy CaCO
3
sẽ là:
2
3
CaO CO

P
CaCO
P.P
K
P
=
32
CaCO CaO CO
= +

Khi cân bằng ta có V
1
= V
2

3
2
32
2
3
'
1 P CaCO
"
2PCaOCO
'"
12PCaCO PCaOCO
'
CaO CO
P
P

"
PCaCO
VK.P
V K .P .P
V V .K .P K .P .P
P.P
K
K
KP
=
=
==
==

Vì
CaO
P
3
CaCO
và P là hằng số nên
3
CaO
CaCO
P
K'
P
= , khi đó ta có
2
PCO
KK'.P

=

Chương 1: Những khái niệm cơ bản
91
91
hay
2
P
CO
K
K
K'
KP
=
=

Rõ ràng chiều phản ứng chủ yếu phụ thuộc vào áp suất riêng phần của CO
2
.
Do đó trong quá trình nung với việc khống chế cỡ hạt thích hợp, đồng thời bảo đảm
thông gió cho tốt để khử tốt lượng CO
2
tạo thành sau phản ứng, có nghóa là tăng quá
trình phân hủy cacbonat.
Nếu ta lập biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất phân hủy của CaCO
3
, ta
thấy
p suất CO
2

đạt tới trò số áp suất khí quyển tương ứng 898
0
C, vì thế ở nhiệt
độ dưới 898
0
C CaCO
3
hoàn toàn không phân hủy. Ở nhiệt độ cao hơn 898
0
C đồng
thời khử bớt lượng CO
2
mới tạo thành sản phẩm phản ứng làm cho quá trình phân
hủy CaCO
3
được hoàn toàn hơn.

Hình 28 Áp suất phân hủy CaCO
3


1.2 CÂN BẰNG HỆ DỊ THỂ
Hệ dò thể là tồ hợp những vật chất phản ứng nằm ở trạng thái khác nhau có
thành phần hoá học khác nhau và có bề mặt phân chia giữa chúng với nhau.
Để so sánh sự khác nhau giữa hệ đồng thể và hệ dò thể ta có một số ví dụ:
Hỗn hợp khí, dung dòch muối hòa tan trong nước và hỗn hợp lỏng hòa tan vô
hạn trong pha lỏng, đều là hệ đồng thể mặc dù thành phần hoá học của chúng khác
nhau, nhưng chúng chòu trộn lẫn trong nhau ở trạng thái phân tán phân tử hay phân
tán ion, đồng thời giữa chúng có bề mặt phân chia giới hạn.
Hệ nước –nước đá –hơi nước là hệ dò thể, mặc dầu chúng có thành phần hoá

học như nhau nhưng chúng có bề mặt giới hạn tách biệt hẳn nhau, ví dụ nước –hơi
nước, nước –nước đá, nước đá –hơi nước.
Hệ gồm có dung dòch và chất cặn của vật chất hòa tan cũng là một hệ dò thể.