chương ii cân bằng hóa học

CÂN B CÂN B Ằ Ằ NG H NG H Ó Ó A H A H Ọ Ọ C C (Chemical Equilibrium) (Chemical Equilibrium) Ts. PhạmTrần Nguyên Nguyên ptnnguyen@hcmus.edu.vn Chương Chương II II How to understand reactions that can go in either direction Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 2 Chương Chương 2 2 CÂN B CÂN B Ằ Ằ NG H NG H Ó Ó A H A H Ọ Ọ C C II.1 Phản ứng thuậnnghịch và cân bằng hóa học II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng II.3 Vậndụng hằng số cân bằng II.4 Hằng số cân bằng củamộtsố phản ứng A . Phản ứng kếttủa B. Phản ứng Acid-base C. Phản ứng tạophức D. Phản ứng Oxy hóa-khử II.5 Nguyên lý Le Châtelier II.6 Mộtsố tính toán từ hằng số cân bằng Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 3 Saline Lake Natron, Rift Valley, Tanzania II.1 Phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học (Reversible Reactions and Chemical Equilibria)  Claude Berthollet (1798) Na Na 2 2 CO CO 3 3 + CaCl + CaCl 2 2 → → 2 2 NaCl NaCl + CaCO + CaCO 3 3 CaCO CaCO 3 3 + 2 + 2 NaCl NaCl → → Na Na 2 2 CO CO 3 3 + CaCl + CaCl 2 2 23 2 3 Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOU Claude Berthollet (1748–1822) Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 4 II.1 Phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học (Reversible Reactions and Chemical Equilibria) 23 2 3 Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOU Khốilượng (g) thờigian trạng thái cân bằng CaCO 3 Ca 2+ • Tạicânbằng: lượng tác chất& sảnphẩmgiữ không đổi theo thờigian Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 5 II.1 Phản ứng thuận nghịch & cân bằng hóa học (Reversible Reactions and Chemical Equilibria)  Waage & Guldberg (1864, Law of mass action) • Tạicânbằng: tốc độ phản ứng thuậnbằng tốc độ phản ứng nghịch 23 2 3 Na CO + CaCl 2NaCl+ CaCOR → Cân bằng động (dynamic equilibrium) static equilibrium Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 6  Waage & Guldberg (1864, Law of mass action) • Tạicânbằng: tốc độ phản ứng thuậnbằng tốc độ phản ứng nghịch [] [ ] [][] =AB =CD ab ff cd rr vk vk [][] [ ] [ ] AB= CD ab cd fr kk [ ] [ ] [][] CD AB cd f ab r k K k == • k f , k r : hằng số tốc độ • K: hằng số cân bằng A + B C + Dab cdR Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 7 Tiếntrìnhđạt đếncânbằng của1 phản ứng hóa học ©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley) Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 8 II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng (Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants) A + B C + Dab cdR ΔG = ΔH - TΔS • Phản ứng có khuynh hướng xảyratự nhiên theo chiềucó năng lượng tự do thấp • Năng lượng tự do củamộtp.ứ = năng lượng tự do Gibb • ΔH: sai biệtnăng lượng enthalpy giữasảnphẩmvàtácchất → Đo nhiệttỏarahay thuvàocủahệ p.ứ → ΔH > 0: p.ứ thu nhiệt; ΔH < 0: p.ứ tỏa nhiệt • ΔS: sai biệtnăng lượng entropy giữasảnphẩmvàtácchất → Đo độ tự do hay hỗnloạncủahệ p.ứ Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 9 II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng (Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants) A + B C + Dab cdR ΔG = ΔH - TΔS • ΔG dùng để dựđoán hướng p.ứ dịch chuyển đếncânbằng → ΔG < 0: p.ứưu đãi nhiệt động học(ΔH < 0, ΔS > 0) → ΔG > 0: p.ứ không ưu đãi nhiệt động học, không xảyra → ΔG = 0: p.ứđạtcânbằng • Khi hệ p.ứ chuyểntừ vi trí chưa cb sang cb, ΔG chuyểntừ giá trị ban đầu đếngiátrị zero ⇔ có sự chuyển đổinồng độ củacácchất trong hệ p.ứ Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 10 II.2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng (Gibbs Free Energy & Equilibrium Constants) ΔG = ΔH - TΔS → ΔG hàm phụ thuộcvàonồng độ củatácchất& sảnphẩm 0 ΔG = ΔG- lnRT Q • ΔG 0 : năng lượng Gibbs ởđkchuẩn (1atm, 298K,1M) [ ] [ ] [][] CD AB cd ab Q = • Q: phần không chuẩn → Tạicânbằng: ΔG = 0 0 ΔG= lnRT K [ ] [ ] [][] CD AB cd cb cb ab cb cb K = [khí]: atm [lỏng]: mol/l [rắn] = 0 Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 11 II.3 Vậndụng hằng số cân bằng (Manipulating equilibrium constants)  Hằng số cb củap.ứ nghịch = nghịch đảohằng số cb thuận 2 A + 2B ABR [ ] [][] 2 1 2 AB AB K = 2 AB A + 2B R [ ] [ ] [] 2 2 2 AB AB K =  Hằng số cb củatổng 2 p.ứ = tích các hằng số cb A + C ACR 2 AC + C ACR 2 2 [AC ] [AC][C] K = 1 [AC] [A][C] K = 2 A + 2C ACR 12 KKK = 2 1 1 K K = 2 2 [AC ] [A][C] K = Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 12 biết 2A + B C + 3DR VD 1 : Tính hằng số cb củap.ứ sau 1 2 3 4 Rxn 1: A + B D 0.40 Rxn 2: A + E C + D + F 0.10 Rxn 3: C + E B 2.0 Rxn 4: F + C D + B 5.0 K K K K = = = = R R R R 2A + B C + 3DR Rxn1 + Rxn2 - Rxn3 + Rxn4 -Rxn3 = Rxn5 → K 5 = 1/K 3 = 0.50 → K = K 1 x K 2 x K 5 x K 4 = 0.10 5 B C + D ?K = R Rxn1 + Rxn2 + Rxn5 + Rxn4 Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 13 biết 22 NO(g) + 12O 2NOR VD 2 : Tính K c củap.ứ 18 2221 31 22 2 Rxn 1: N (g) + 1 2 O N O 2.7 10 Rxn 2: N (g) + O 2NO 4.7 10 K K − − =× =× R R -Rxn1 + Rxn2 Rxn3 = - Rxn1 Rxn3 + Rxn2 22 c N O(g) + 1 2O 2NO ?K = R 22 23 Rxn 3: N O N (g) +1 2 O ?K = R 13 32 2 1 1 1.7 10 c KKK K K − =×=×=×→ 3 1 1 K K → = Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 14  Hằng số cb của pha khí, K p 22 3 2SO (g) + O (g) 2 SO ( )gR [ ] [][ ] 2 3 2 22 SO OSO c K = • Hỗnhợp khí hòa tan vào nhau như trong chấtlỏng • Hằng số cb thường biểudiễndướidạng áp suất riêng phần, K p [] 33 SO SO 3 SO VRT nP == [] 22 SO SO 2 SO VRT nP == [] 22 OO 2 O VRT nP == [] [][ ] 3 3 22 22 2 SO 2 2 SO 3 22 2 SO O SO O 22 RT SO OSO RT RT c P P K RT Pp PP ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ === ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ () cp K KRT= Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 15  Hằng số cb củapứ có sự hiệndiệncủa đơn nguyên chất 22 C(s) + H O(g) CO( ) H ( )gg + R [ ] [ ] [] 2 2 CO H HO c K =→ • Nồng độ của đơn nguyên chấtlỏng hay rắnxemnhư = 1 → Hằng số cb không chứathànhphầncủa đơn nguyên chất [ ] C1 = 2 2 CO H HO c PP K RT P → =× Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 16  Hằng số cb củapứ có sự hiệndiệncủa đơn nguyên chất 32 CaCO (s) CaO( ) CO ( ) s g + R [ ] 2 CO c K→ = [ ] [ ] 3 CaCO 1; CaO 1 = = 2 COc K PRT = → × . II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 2 Chương Chương 2 2 CÂN B CÂN B Ằ Ằ NG H NG H Ó Ó A H A H Ọ Ọ C C II. 1 Phản ứng thuậnnghịch và cân bằng hóa học II. 2 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng II. 3. bằng II. 3 Vậndụng hằng số cân bằng II. 4 Hằng số cân bằng củamộtsố phản ứng A . Phản ứng kếttủa B. Phản ứng Acid-base C. Phản ứng tạophức D. Phản ứng Oxy hóa- khử II. 5 Nguyên lý Le Châtelier II. 6. toán từ hằng số cân bằng Analytical Chemistry/ II. Chemical Equilibrium PTNNguyen-HCMUS 3 Saline Lake Natron, Rift Valley, Tanzania II. 1 Phản ứng thuận nghịch và cân bằng hóa học (Reversible