Tài liệu Cân bằng hóa học_chương 4 doc

_____________________________________________________________________
__________________________
Chương 4
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.
3.
Sự liên hệ giữa hằng số cân bằng K với biến đổi năng lượng tự do
của phản ứng.
II. ÐỊNH LUẬT DỜI ÐỔI MỨC CÂN BẰNG LE CHÂTELIER.
1.
Ảnh hưởng của nồng độ.
2. Ảnh hưởng của áp suất.

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

CH
3
-COOH + CH
3
-CH

2
-OH CH
3
-COO-CH
2
-CH
3
+ H
2
O
Nếu lấy 1mol
cho tác dụng với 1mol thì sau khi phản ứng đã
đạt mức cân bằng (coi như phản ứng xong), ta thu được 2/3 mol ester
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:
v
1
= k
1
[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
lúc đầu
rất lớn, vận tốc phản ứng nghịch
bằng không. Phản ứng càng xảy ra lâu, nồng độ
các tác chất A, B càng giảm
, nồng độ các sản phẩm C, D càng tăng
.
Như vậy,
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
, lúc này phản ứng đạt

trạng thái cân bằng, phản ứng được coi như xong.
v
1
= v
- 1

=> k
1
[A][B] = k_
1
[C][D]
=>

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) + Cl
2
(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 (
o
K).
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;
lần lượt là phân số mol của
A, B, C, D lúc cân bằng.

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



Thế
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