CHƯƠNG III : CÂN BẰNG HOÁ HỌC docx

CHƢƠNG III : CÂN BẰNG HOÁ HỌC Chƣơng trƣớc xét nguyên lí II dùng để xác định chiều hƣớng của pƣhh và chiều tự diễn biến của một phản ứng hóa học. Ở chƣơng này, chúng ta sẽ xét ứng dụng của nguyên lí II đối với phản ứng hóa học. Hoạt động của thầy và trò Nội dung Về nguyên tắc, mọi pƣhh đều là pƣ thuận nghịch. Tuy nhiên nếu vận tốc của một chiều nào đó lớn hơn hẳn vận tốc của chiều kia thì pƣ đƣợc xem nhƣ 1 chiều + Tuỳ theo cách tiến hành mà một pƣhh có thể là một quá trình thuận nghịch hay bất thuận nghịch 3.1. Khái niệm về cân bằng. Một phản ứng hh xảy ra theo một chiều xác định nào đó và sẽ đạt tới TTCB. VD: a A+b B+…  g G+d D+… Trong đó: A tác dụng với B tạo ra G và D gọi là pƣ thuận có vận tốc v T ; G tác dụng với D tạo ra A và B gọi là pƣ nghịch có vận tốc v n + Khiv T =v N thì pư đạt tới TTCBHH *Các tính chất của cbhh:  + Không thay đổi theo tgian. Nếu các đk bên ngoài thay đổi thì cb bị dịch chuyển theo  + Cbhh là một cân bằng động: nghĩa là ở đk thông số của hệ tuy không thay đổi theo tg nhƣng pƣ vẫn xảy ra, nhƣng tốc độ phản ứng thuận và nghịch bằng nhau.  + Cân bằng hóa học có thể tiến hành theo hai chiều. 3.2. Định luật tác dụng khối lƣợng và VD: Xét pư A + B  C Tại thời điểm ta xét, ký hiệu nồng độ các chất lần lƣợt là A] , B] , C] + Nếu gọi v là tốc độ phản ứng ta có: v = k . A] . B] Trong đó: k là hằng số tốc độ phản ứng Trƣờng hợp tổng quát. mA + nB  c C v = k . [ ] A m . [ ] B n VD: 2NO + O 2  2NO 2 v = k . [ ] NO 2 . [ ] O 2 C + O 2 = CO 2 v = k . [ ] O 2 . [ ] C = k . [ ] O 2 [ ] C = 1vì cacbon là chất rắn. hằng số cân bằng. 3.2.1. Định luật tác dụng khối lượng. Tốc độ phản ứng tỉ lệ với tích số nồng độ của các chất tác dụng (theo lũy thừa của các hệ số tỉ lượng) 3.2.2 Hằng số cõn bằng. VD: A + B C + D Gọi v t là tốc độ phản ứng thuận v n là tốc độ phản ứng nghịch v t = k t . [ ] A . [ ] B v n = k n . [ ] C . [ ] D Tại lúc cân bằng v t = v n  k t . [ ] A . [ ] B = k n . [ ] C . [ ] D  k t k n = [ ] C . [ ] D [ ] A . [ ] B = K VD 1: Cho pư N 2 +O 2 0 tC  2NO 1mol 1mol 2mol Tại nhiệt độ xác định nồng độ cân bằng của 3 chất là: [ ] N 2 cb = [ ] O 2 cb = 3M ; [ ] NO cb = 2M. Tính hằng số cân bằng K và nồng độ ban đầu của [ ] N 2 ; [ ] O 2 K = [ ] NO 2 [ ] N 2 . [ ] O 2 = 2 2 3 . 3 = 4 9 = 0,44. Theo phƣơng trình trên: 1mol N 2 + 1mol O 2 = 2mol NO Muốn tạo 4mol NO cần 2mol N 2 + 2mol O 2 Với các phản ứng thuận nghịch: cân bằng sẽ đạt đƣợc khi tích số nồng độ của các chất tạo thành sau phản ứng chia cho tích số nồng độ các chất tham gia phản ứng là một hằng số tại một nhiệt độ cho trƣớc. TQ: mA + nB pC + qD K = [ ] C p . [ ] D q [ ] A m . [ ] B n K:Hằng số cân bằng của pƣ thuận nghịch Nếu K lớn:pƣ xảy ra theo1 chiều ( thuận) K không phụ thuộc nồng độ các chất mà phụ thuộc nhiệt độ. Tại các nhiệt độ khác nhau k t và k n có các giá trị khác nhau và chỉ bằng vận tốc khi nồng độ bằng đơn vị. Khi nồng độ thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi nhƣng K không đổi. Do đó K chỉ phụ thuộc nhiệt độ. Nồng độ ban đầu của N 2 và O 2 [ ] N 2 bđ = [ ] N 2 cb + [ ] N 2 đã p = 3M + 1M = 4M [ ] O 2 bđ = [ ] O 2 cb + [ ] O 2 đã p = 3M + 1M = 4M VD 2: Cho biết ở một nhiệt độ nhất định, hằng số cân bằng của phản ứng. CO 2 + H 2  CO + H 2 O có K = 2 Tính nồng độ khi cân bằng biết [ ] CO 2 bđ =5M, [ ] H 2 bđ = 1M Giải: Phƣơng trình phản ứng: CO 2 + H 2  CO + H 2 O 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol 1 mol CO 2 +1 mol H 2  1 mol CO + 1 mol H 2 O Theo đl tác dụng khối lƣợng: K = [ ] CO . [ ] H 2 O [ ] CO 2 . [ ] H 2 = x . x (5 - x) . (1 - x) = x 2 (5 - x) . (1 - x) = 2 Điều kiện : 1 > x > 0 Biến đổi ta có: x 2 – 12x + 10 = 0  x 1 =11,1(loại); x 2 =0,9 Vậy tại lúc cân bằng : [ ] CO cb = [ ] H 2 O cb = 0,9M [ ] CO 2 cb = 5 – 0,9 = 4,1M [ ] H 2 cb = 1 – 0,9 = 0,1M Chú ý: gd GD ab AB P P P .P là áp suất riêng phần của chất ở đ k ban dầu khảo sát,khác với K p là bt chứa các p ở đkcb.Kí hiệu: gd GD ab AB P P P .P = K’ p thì  G pƣ = - RT ln K p + RT ln K’ p VD: Ở 420 0 C H 2 + I 2 2HI K c = 50. Xét chiều hƣớng của pƣ khi nồng độ các chất trong hh đầu có gtrị sau đây: 1. [H 2 ] = 2M; [I 2 ]=5M; [HI]=10M 2. [H 2 ]=1,5M;[I 2 ]=0,25M;[HI]=5M 3. [H 2 ]=1M;[I 2 ]=2M; [HI]=10M Giải: Áp dụng pt Van’tHoff ở T, V=const :  G=RT(ln K’ c – ln K c ) 1. K’ c = 2 10 2.5 =10 < K c . Vậy pƣ tự xảy ra theo chiều thuận. 2. K’ c =5 2 / 1,5.0,25 = 66,67>K c . Vậy pƣ tự xảy ra theo chiều nghịch. 3. K’ c =100/1.2=50=K c . pƣ đạt ttcb. *Hằng số cân bằng biểu diễn qua một số đại lƣợng. Cho pt: a A+ b B d D+ g G + K p = gd GD cb ab AB p .p [] p .p .Trong đó p i là áp suất riêng phần của các chất Theo đl Đantơn: P i = i i n .p n  (n i là số mol chất i trong hệ; p là áp suất chung của hệ) + K c = gd GD cb ab AB C .C [] C .C . Trong đó C i là nồng độ mol chất I ở TTCB. + K n =( . . g d nn D G ab nn B A ) cb . Trong đó n i là số mol khí I ở TTCB + Mối liên hệ giữa K p và K c : Thay p i V = n i RT vào K p ta đƣợc: K p = K c . RT  . Trong đó  = (g+ d+…) – ( a+b+…) + Mối liên hệ giữa K p và K n : VD2. Trộn 0,292 mol H 2 (k); 0,292 mol I 2 (k) và 3,96 mol HI(k) vào một bình dung tích 2 lít ở 430 0 C xảy ra pƣ sau: H 2 +I 2 2HI; K c = 54,3 1. Hỏi chiều của pƣ này? 2. Tính nồng độ các khí lúc đạt tới ttcb. Giải: [H 2 ]=0,292/2=0,146 M=[I 2 ] [HI]=3,96/2=1,98M K’ c = 0,146 2 /1,98=183,9>K c . Vậy pƣ tự xảy ra theo chiều nghịch. 2. H 2 + I 2 2HI Nđbđ 0,146 0,146 1,98 Nđcb 0,146+x 0,146+x 1,98-2x X=0,096; [H 2 ]=[I 2 ]=0,242 M; [HI]=1,79M. VD: Ở 500K, hằng số cân bằng của pƣ:SO 2 + ½ O 2 SO 3 K p =2,138.10 5 Tính K p của pƣ ở 700K biết rằng trong khoảng nhiệt độ đó,  H= 97,906 kJ/mol. Giải. Áp dụng pt đẳng áp Van’T K p = K n .( ) n cb P n   3.3. Pt đẳng nhiệt của pƣhh( Van’t Hoff) và chiều của pƣhh Việc chứng minh pt này liên quan đến thế hh (đại lƣợng xuất hiện trong chƣơng II. Các yếu tố ảnh hƣởng của  G (đọc thêm trong giáo trình)  G pƣ = - RT ln K p + RT ln gd GD ab AB P P P .P Trong đó: 0 T G = - RT lnK p Dựa vào pt này có thể xét đƣợc chiêù hƣớng và giới hạn của pƣ *ở đk T, P=const . Nếu  G<0 hay K’ p <K p thì pƣ tự xảy ra theo chiều thuận. . Nếu  G>0 hay K’ p > K p thì pƣ tự xảy ra theo chiều nghịch. . Nếu  G=0 hay K’ p = K p thì pƣ đạt tt cân bằng. * Ở đk T, V=const: thay K p bằng K c và K’ p = K’ c ta có tƣơng tự: .  G=-RT ln K c + RT ln K’ c Hoff : ( 2 ln ) p p K H T RT     ) Lấy tích phân 2 vế với  H không đổi theo nhiệt dộ ta có: 22 11 2 1 ln TT p TT H K dT dT RT    2 1 12 () 11 ln ( ) () pT pT K H K R T T   với T 2 =700K; T 1 =500K => K p,700 = 1,78.10 8 3.4. Pt đẳng áp và đẳng tích Van’t Hoff. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tới cbhh. Để xét sự phụ thuộc của nhiệt độ tới cbhh, lấy vi phân pt đẳng nhiệt theo nhiệt độ, trong đó, K’ p không phụ thuộc vào nhiệt độ. ' ln ( ) ln ln ( ) p P p p p K G R K R K RT TT       (1) Mặt khác: G=H-TS=U+PV-TS dG=dU+PdV+VdP-TdS-SdT(2) Và dS=  Q/T =>  Q = dU + A = dU + PdV = TdS Thay TdS vào (2) ta đƣợc: dG=dU+PdV+VdP-dU-PdV-SdT  dG = VdP – SdT  (  G/  T) p =-S( dP=0; dT=1) Áp suất tỉ lệ thuận với tỉ lệ các chất trong hệ pƣ. Khi tăng áp suất , cb sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm số mol các chất trong pƣ Bt K p cũng cho chiều tƣơng tự phù hợp  (   G/  T) p = -  S Vậy:  G=  H-T  S=  H+T(   G/  T) p Thay (1) vào đó, ta đƣợc:  G=  H+TRlnK’ p -RTlnK p - RT 2 (  lnK p /  T) p (3) Mặt khác:  G=-RTlnK p +RTlnK’ p (4) Ghép (3) và (4) ta đƣợc: ( 2 ln ) p p K H T RT     ) Tƣơng tự với vcác pƣhh xảy ra ở V không đổi: ( 2 ln ) c v K U T RT     3.5. Sự chuyển dịch cân bằng. Nguyên lí chuyển dịch Le Chatelier 1.Phát biểu.Khi pƣhh đã đạt ttcb, chịu tác động của nhiệt độ, áp suất hoặc nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác dụng của các yếu tố đó. 2. Sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến chuyển dịch cân bằng: Khi tăng nhiệt độ của pƣ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm nhiệt độ của pƣ. - Phản ứng toả nhiệt: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận. Ngƣợc lại, khi giảm nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch. - Pƣ thu nhiệt: khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận. BÀI TẬP CHƢƠNG III Bài 1. Cho pƣ: C (gr) + CO 2 (k)  2CO k K p = 1,41 ở 727 0 C Cho 1 mol CO 2 và một lƣợng dƣ C vào trong một bình chân không kín ở 727 0 C. Tính phần trăm CO 2 đã pƣ khi pƣ ở TTCB biết rằng áp suất lúc cân bằng là 1 atm Giải. C (gr) + CO 2 (k)  2CO k K p = 1,41 ở 727 0 C Số mol lúc đầu 1 0 Số mol ở cân bằng 1-  2  ngƣợc lại. - Áp dụng pt đẳng áp Van’t Hoff cũng phù hợp với nguyên lí. 3. Ảnh hƣởng của nồng độ đến chuyển dịch cân bằng: K c của pƣ xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, nên khi tăng hoặc giảm đẳng nhiệt nồng độ một chất nào đó có mặt trong bt của K c , thì cân bằng sẽ chuyển dịch sang phía làm giảm hoặc tăng chất đó để giữ cho K c không đổi.Sự thêm bớt lƣợng chất rắn hay lỏng nguyên chất không làm cân bằng chuyển dịch 4. Ảnh hƣởng của áp suất đến chuyển dịch cân bằng. Áp suất tỉ lệ thuận với số mol chất khí. Dựa vào bt của K x thấy: Khi tăng áp suất thì cb chuyển dịch về phía giảm áp suất và ngƣợc lại. Tổng số mol khí lúc cb = 1+  22 2 (2 ) 1,0 4 () 1 1 1 p K         2 2 4 1,41 0,51 1         hay  =51% CO 2 đã pƣ Bài 2. 2NaHCO 3 tt Na 2 CO 3 tt + CO 2 k + H 2 O k 0 298 H =129,7 kJ a. Thiết lập pt K p = f(P), P là áp suất của hệ lúc cb, biết rằng lúc đầu chỉ có NaHCO 3 tt b. Cho a mol NaHCO 3 vào bình chân không dung tích 22,4 l. Khi cb ở 47 0 C đo đƣợc P=30 mmHg. Tính K p , K c của pƣ và số mol tối thiểu NaHCO 3 cần có trong bình để đạt đƣợc áp suất 330,0 mmHg c. Tính 0 G và 0 S của pƣ ở 47 0 C, coi  H 0 và  S 0 là hằng số đối với nhiệt độ Giải. a. P CO2 =P H2O khi pƣ ở TTCB K p = (P/2) 2 = P 2 /4 b. 2 30,0 1 ( ) . 760,0 4 p K  =3,9.10 -4 K c = 4 2 3,9.10 (0,082.320)  =5,7.10 -7 Để tạo ra 1,0 mol CO 2 và 1,0 mol H 2 O cần 2,0 mol NaHCO 3 . Vậy số mol NaHCO 3 cần có là: n=PV/RT=30.22,4/760.0,082.320=3,4.10 -2 mol c.  G 0 = -RT ln K p = -8,314. 320 ln 3,9.10 -4 = 20,9 kJ  S 0 = (129,7 – 20,9) / 320 = 0,34 kJ/K Bài 3.Có hệ cb sau: N 2 O 4 k 2NO 2 k .  H 0 = 57 kJ 1.Tính K p của pƣ ở 300K,biết rằng K p ở 320K là 0,674 và  H 0 là không đổi trong khoảng nhiệt độ nghiên cứu. 2.Xác định  S 0 của pƣ, coi  S 0 là hằng số trong khoảng 300K đến 320K Giải. a. 0 2 1 1 2 () 11 ln ( ) () p p KT H K T R T T   Thay số ta có: 3 0,674 57.10 8,314 320 11 ln ( ) ( ) 300 1 KT p  => K p (T 1 ) = 0,162 [...]... số cân bằng K=37,2 Tính: a.Áp suất của hệ lúc cân bằng b.Độ phân li  của HI thành H2 và I2 c.Tính áp suất riêng phần của các khí lúc cân bằng Giải a Vì  n=0 nên áp suất của hệ lúc cân bằng bằng áp suất ban đầu P=0,82+ b nH  2 0, 2.0, 082.800 =4,1 atm 4 0,82.4 = 0,050mol 0, 082.800 H2 k + I2 k Số mol ban đầu 0,05 0 2HI (k) 0,2 Lúc đầu, pƣ thuận diễn ra đến TTCB, sau đó cho thêm HI vào thì cân bằng. .. phá vỡ và xảy ra pƣ nghịch Số mol lúc cân bằng: 0,05+0,1   n = 0 => Kp =Kn = K 37,2 = (0, 2  0, 2 ) 2 = >  =0,13 (0, 05  0,1 )0,1 0,1  0,2 – 0,2  c.Pi= ni P  ni PH2 = 0, 05  0,1 4,1  1, 0 atm => PI2= 0,1  /0,25.4,1=0,21 atm;PHI = 2,9atm 0, 25 => CHƢƠNG IV : CÂN BẰNG PHA CỦA HỆ MỘT CẤU TỬ ( 3: 2; 1) 4.1 Một số khái niệm và định nghĩa: 1 Pha: - Khái niệm: Pha là tập hợp mọi phần đồng thể... thể gồm K cấu tử( 1…K) và mỗi cấu tử đều có mặt trong tất cả  (  ,  , …,  ) khác nhau Ba đk trên đƣợc viết l : (1) T   T    T  ( cân bằng nhiệt) (2) P  P   P ( cân bằng cơ) 1  1   1 (3)   2  2   2 ( cân bằng hoá thế)     K   K    K 4.3 Cân bằng lỏng – hơi Áp suất hơi bão hoà 1 Phương trình Clapeyron – Clausius ( chỉ áp dụng cho các quá trình chuyển... ta suy ra quy tắc tính số cấu t : K= R - Số hợp phần q Số ptlh 4 Hoá thế( thế hóa học) * Định nghĩa: Thế hoá học của cấu tử I là đạo hàm riêng của các hàm G, F theo số mol cấu tử I khi các thông số tƣơng ứng với các hàm đó và số mol của mọi cấu tử khác(j  i) là không đổi Thƣờng các qt đƣợc nghiên cứu trong đk T, P = const nên thế hoá học thƣờng đƣợc đn theo hàm G * Bt:  I = ( G ) P ,T ,n j ( ji... xem thêm t63) ni 5 Áp suất hơi bão ho : Ở nhiệt độ xác định hơi nằm cân bằng với lỏng và rắn có áp suất hơi nhất định gọi là áp suất hơi bão hoà 4.2 Điều kiện cân bằng pha Các pha muốn cb nhau phải có các đk: a Nhiệt độ các pha phải nhƣ nhau b Áp suất chung trên các pha phải nhƣ nhau c Hoá thế của mỗi cấu tử trong các pha phải = nhau VD Xét TH tổng quát nhất: Hệ dị thể gồm K cấu tử( 1…K) và mỗi cấu... nhiệt hoá hơi của hệ trong khoảng nhiệt độ trên ĐS: 24,827 kJ/mol CHƢƠNG V: ĐẠI CƢƠNG VỀ DUNG DỊCH( 6: 4; 2) 5.1 Sự hình thành dung dịch và các loại dung dịch 5.1.1.Định nghĩa: Dung dịch là hỗn hợp đồng thể của hai hay nhiều cấu tử có thể ở trạng thái rắn, lỏng, khí VD: dd lỏng: dd nƣớc đƣờng, dd muối ăn,…( những dd thu đƣợc khi cho chất khí, rắn hoặc lỏng hoà tan vào dung môi lỏng) - dd kh : Không... lần lƣợt bằng: 5,69; 130,58; 186,19 J/mol.K Giải  S0 = 186,19 – 2.130,58 – 5,69=-80,66 J/K 0 0 0  GT =  H T - T  ST = -74848 – 298.(- 80,66) = -50811 J G0 50811   8,91=> Kp = 8,0.108 2,303.RT 2,303.8,314.298 lgKp = Bài 5 Cho khí H2 vào bình chân không dung tích 4,0 lít sao cho áp suất trong bình bằng 0,82at ở 527 0C Sau đó cho thêm 0,2mol khí HI vào bình Cân bằng sau đƣợc thiết lập: H2 k +... độ tan của khí và áp suất đƣợc W Henry thiết lập năm 1802 Khi hoà tan chất khí vào chất lỏng, có cân bằng sau: Khí trên mặt chất lỏng Khí hoà tan P Biểu thức của định luật Henry: C= k -1.P = Trong đó H k H C: nồng độ mol/l của chất khí hoà tan ( độ tan) P là áp suất của khí trên mặt chất lỏng( atm) KH : Hằng số Henry, chỉ phụ thuộc nhiệt độ( mol/ atm.l) VD1 Tại 250C và 1 atm, độ tan của N2 trong nƣớc... giảm dần và có khí thoát ra ( Tại sao không tạo ra dd bão hoà khí CO2 dƣới áp suất bằng áp suất riêng phần của CO2 trong khí quyển?) VD3 Một chai nƣớc ngọt đƣợc bão hoà bằng CO2 với P=4 atm ở 00C Sau đó chai đƣợc mở nắp để cho cân bằng với áp suất khí quyển chứa CO2 là 4.10-4 atm ở 250C Tính nồng độ của CO2 trong nƣớc ngọt khi mới pha chế và sau khi đạt TTCB với PCO2 trong kq Cho: k -1 ở 00C là 7,7.10-2... nhiệt độ => Nói chung ảnh hƣởng của nhiệt độ đến độ tan đƣợc xác định tốt nhất bằng thực nghiệm b Đối với chất tan là chất khí Từ bt của đl Henry, ta có thể thấy: C= k -1 P Nghĩa là độ tan C tỉ lệ H thuận với k -1 , cũng có thể coi k -1 là hằng số cân bằng của quá trình : H H Khí trên mặt chất lỏng Ta lại có pt đẳng áp Van’tHoff: hoà tan toả nhiệt, tức ΔH ht Khí hoà tan d(lnK) ΔHht = Nói chung các qtrình . IV : CÂN BẰNG PHA CỦA HỆ MỘT CẤU TỬ ( 3: 2; 1) 4.1. Một số khái niệm và định nghĩa: 1. Pha: - Khái niệm: Pha là tập hợp mọi phần đồng thể của hệ có thành phần và tính chất vật lí, hoá học. bằng 0,82at ở 527 0 C. Sau đó cho thêm 0,2mol khí HI vào bình. Cân bằng sau đƣợc thiết lập: H 2 k + I 2 (k) 2HI (k). Ở 527 0 C, hằng số cân bằng K=37,2. Tính: a.Áp suất của hệ lúc cân. nhiệt: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều thuận. Ngƣợc lại, khi giảm nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều nghịch. - Pƣ thu nhiệt: khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ