Bài giảng Hóa đại cương - Chương IV: 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 22 HItt CCkv = 2 HInn Ckv = Ở thời điểm ban đầu:  = 0:  vt = maxmax, 22 =IH CC CHI = 0  vn = 0 Theo thời gian: :  vt 22 , IH CC CHI   vn  vt = vn cb 0 v vt vn 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 – hằng số ở nhiệt độ xác định: hằng số cân bằng. • Cân bằng giữa các chất khí • Đối với phản ứng dị thể: Ví dụ: CaCO3(r) ⇌ CaO(r) + CO2(k) → d D c Cn b B a At CCkCCk .... = b B a A d D c C n t C CC CC k k K ==           badc b B a A d D c C b B a A d D c C b B a A d D c C p RT CC CC RTCRTC RTCRTC pp pp K --+ ===   nCp RTKK D = 3 2 CaCO COCaO p p pp K = 2 3 CO CaO CaCO pp p p p KK == 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 Khí aA + bB ⇌ cC + dD          +D=D b B a A d D c C TT pp pp RTGG ln0 Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0 p cb b B a A d D c C T KRT pp pp RTG lnln0 -=      -=D Lỏng        +D=D b B a A d D c C TT CC CC RTGG ln0 Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: DGT = 0 C cb b B a A d D c C T KRT CC CC RTG lnln0 -=      -=D  Kp = f(bc pư, T) Kp  f(C) pp K Q RTQRTKRTG lnlnln =+-=D b B a A d D c C pp pp Q = • 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) ở 298K khi biết Giải: KJvàkJH pu /6,176S 040,58 0 298pu 0 298 -=D-=D -5412.3J176,6298 58040- =+=D-D=D 0298 0 298 0 298 STHG 185,2 298314,8 3,5412 ln 0 =  = D -= RT G K p 9,82 2 42 == NO ON p p p K Quan hệ của Kp với nhiệt độ và nhiệt phản ứng ooo STHG D-D=D p o KRTG ln-=D       - D = 21 0 1 2 11ln TTR H K K D + D -= 0 2 0 2ln R S RT H K D + D -= 0 1 0 1ln R S RT H K Ví dụ NO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k) Tính Kp ở 325 0C? • Biết: DH0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.10 6 ở 250C 02.14325 =K 64.2ln 325 =K 437,11 598 1 298 1 314,8 56484 10.3,1 ln 6 598 -=      --= K 11 ln 598298 0 298 598       - D = TTR H K K 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 • Khi hệ đạt trạng thái cb: • 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. 0lnln =      --=D b B a A d D c C pT pp pp KRTG b. Ảnh hưởng của C tới sự dịch chuyển cb • H2 + I2 ⇌ 2HI • Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt = vn • Nếu tăng nồng độ H2 lên 2 lần: • → Khi ↑ vt↑ → cb chuyển dịch theo chiều thuận → ↓ 22 IHtt CCkv = 2 HInn Ckv = tIHtt vCCkv 22 22 ' == nn vv = ' 2H C 2H C c. Ảnh hưởng của T tới sự dịch chuyển cb • 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). R S RT H K p 00 ln D + D -= Ví dụ 2NO2(k) ⇌ N2O4(k), DH 0 = -58,04kJ Màu nâu không màu • Ở 298K ta có Kp = 8,9 → 2 242 9,8 NOON pp = Ở 273K 2 242 02,76 NOON pp = 02,76273 =K 331,4145,2186,2ln 273 =+=K 145,2)10.07,3( 314,8 58040 9,8 ln 4273 =- - = - K 273 1 298 1 ln 0 298 273       - D = R H K K d. Ảnh hưởng của p tới sự dịch chuyển cb Ví dụ: 2NO(k)+ O2(k) ⇌ 2NO2(k) • Khi tăng P lên 2 lần nồng độ các chất đều tăng gấp đôi. • P↑ 2 lần → cb: phải → tạo thêm NO2 → ∑n ↓ → P↓. • P↓ 2 lần → cb: trái → tạo thêm NO và O2 → ∑n ↑ → P↑. 2 2 ONOtt CCkv = 2 2NOnn Ckv =     nNOnNOnn tONOtONOtt vCkCkv vCCkCCkv 442 8.82.2 22' 22' 22 22 === === 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.