Bài giảng Cân bằng hoá học

CÂN BẰNG HOÁ HỌC Khái niệm về cân bằng Quan sát khí không màu được làm đông lạnh N2O4. Tại nhiệt độ phòng, khí này bị phân hủy thành khí NO2 màu nâu: N2O4(g)  2NO2(g). Tới một lúc nào đó, màu sắc ngừng thay đổi, và chúng ta có một hỗn hợp N2O4 and NO2. Ta nói phản ứng đã đạt cân bằng. Cân bằng hoá học là điểm mà tại đó nồng độ các chất không thay đổi nữa. Trên quan điểm của thuyết va chạm: Khi lượng NO2 tăng lên, có khả năng 2 phân tử NO2 va đập vào nhau tạo thành N2O4. Tại thời điểm ban đầu chưa có N2O4 nên phản ứng nghịch 2NO2(g)  N2O4(g) chưa xảy ra. The Concept of Equilibrium Tại điểm mà tốc độ phản ứng phân hủy: N2O4(g)  2NO2(g) bằng với tốc độ phản ứng nghịch: 2NO2(g)  N2O4(g). tồn tại một cân bằng động (dynamic equilibrium) cân bằng là động vì phản ứng không hề bị ngừng lại. Lúc đó mọi tốc độ thuận nghịch là như nhau Tại cân bằng, bao nhiêu N2O4 phản ứng để tạo thành NO2 thì có bấy nhiêu NO2 phản ứng để tạo lại N2O4: Khái niệm về cân bằng Toùm laïi: Caân baèng coù tính chaát ñoäng, nghóa laø luùc caân baèng veà maët thöïc teá thaønh phaàn caùc hôïp chaát khoâng thay ñoåi nhöng thöïc teá phaûn öùng vaãn xaûy ra vôùi vthuaän vaø vnghòch baèng nhau. Khuynh höôùng töï nhieân cuûa moät phaûn öùng hoùa hoïc laø luoân höôùng tôùi caân baèng. Caân baèng seõ ñaït ñöôïc khi G=0. Luùc naøy caân baèng hoùa hoïc laø söï caân baèng giöõa hai yeáu toá aûnh höôûng leân phaûn öùng laø nhieät vaø entropy. Hằng số cân bằng Xem phản ứng Nếu ta bắt đầu bằng một hỗn hợp nitrogen và hydrogen (tỷ lệ bất kỳ), phản ứng sẽ đạt tới cân bằng tương ứng với nồng độ không đổi của nitrogen, hydrogen và ammonia. Tuy nhiên nếu ban đầu ta chỉ có ammonia và không nitrogen hay hydrogen, phản ứng vẫn xảy ra. N2 và H2 được tạo thành cho tới khi các nồng độ đạt tới cân bằng Hằng số cân bằng Hằng số cân bằng Dù thành phần tác chất ban đầu và thành phần sản phẩm ra sao, các nồng độ luôn đạt tới một tỷ lệ như nhau tại cân bằng Cho một phản ứng bất kỳ Biểu thức của hằng số cân bằng là với Kc là hằng số cân bằng Độ lớn của hằng số cân bằng Hằng số cân bằng, K, là tỷ lệ của sản phẩm trên tác chất. Do đó: K càng lớn thì tại cân bằng nồng độ sản phẩm càng lớn. Ngược lại, K càng nhỏ thì tại cân bằng nồng độ tác chất càng lớn Nếu K >> 1, các sản phẩm chiếm ưu thế tại cân bằng và cân bằng chuyển sang phải Nếu K K then the reverse reaction must occur to reach equilibrium (i.e., products are consumed, reactants are formed, the numerator in the equilibrium constant expression decreases and Q decreases until it equals K). If Q Kc, Kp => [ ] caùc chaát. Le Châtelier’s Principle Xem As the pressure increases, the amount of ammonia present at equilibrium increases. As the temperature decreases, the amount of ammonia at equilibrium increases. Can this be predicted? Nguyeân lyù Le Chaâtelier: Trong moät phaûn öùng caân baèng, neáu thay ñoåi moät yeáu toá laøm xaùo troän möùc caân baèng seõ laøm caân baèng dôøi ñoåi theo chieàu choáng laïi söï thay ñoåi aáy. Le Châtelier’s Principle Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations Consider the Haber process If H2 is added while the system is at equilibrium, the system must respond to counteract the added H2 (by Le Châtelier). That is, the system must consume the H2 and produce products until a new equilibrium is established. Therefore, [H2] and [N2] will decrease and [NH3] increases. Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations Adding a reactant or product shifts the equilibrium away from the increase. Removing a reactant or product shifts the equilibrium towards the decrease. To optimize the amount of product at equilibrium, we need to flood the reaction vessel with reactant and continuously remove product (Le Châtelier). We illustrate the concept with the industrial preparation of ammonia Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations N2 and H2 are pumped into a chamber. The pre-heated gases are passed through a heating coil to the catalyst bed. The catalyst bed is kept at 460 - 550 C under high pressure. The product gas stream (containing N2, H2 and NH3) is passed over a cooler to a refrigeration unit. In the refrigeration unit, ammonia liquefies but not N2 or H2. Le Châtelier’s Principle Change in Reactant or Product Concentrations The unreacted nitrogen and hydrogen are recycled with the new N2 and H2 feed gas. The equilibrium amount of ammonia is optimized because the product (NH3) is continually removed and the reactants (N2 and H2) are continually being added. Effects of Volume and Pressure As volume is decreased pressure increases. Le Châtelier’s Principle: if pressure is increased the system will shift to counteract the increase. Le Châtelier’s Principle Effects of Volume and Pressure That is, the system shifts to remove gases and decrease pressure. An increase in pressure favors the direction that has fewer moles of gas. In a reaction with the same number of product and reactant moles of gas, pressure has no effect. Consider Le Châtelier’s Principle Effects of Volume and Pressure An increase in pressure (by decreasing the volume) favors the formation of colorless N2O4. The instant the pressure increases, the system is not at equilibrium and the concentration of both gases has increased. The system moves to reduce the number moles of gas (i.e. the forward reaction is favored). A new equilibrium is established in which the mixture is lighter because colorless N2O4 is favored. Le Châtelier’s Principle Effect of Temperature Changes The equilibrium constant is temperature dependent. For an endothermic reaction, H > 0 and heat can be considered as a reactant. For an exothermic reaction, H 0, adding heat favors the forward reaction, if H 0, cooling favors the reverse reaction, if H 0. Co(H2O)62+ is pale pink and CoCl42- is blue. Le Châtelier’s Principle Effect of Temperature Changes Le Châtelier’s Principle Effect of Temperature Changes If a light purple room temperature equilibrium mixture is placed in a beaker of warm water, the mixture turns deep blue. Since H > 0 (endothermic), adding heat favors the forward reaction, i.e. the formation of blue CoCl42-. If the room temperature equilibrium mixture is placed in a beaker of ice water, the mixture turns bright pink. Since H > 0, removing heat favors the reverse reaction which is the formation of pink Co(H2O)62+. Le Châtelier’s Principle The Effect of Catalysts A catalyst lowers the activation energy barrier for the reaction. Therefore, a catalyst will decrease the time taken to reach equilibrium. A catalyst does not effect the composition of the equilibrium mixture.