KHAI THÁC KIẾN THỨC VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

Hằng số cân bằng 1 Chiều hướng diễn biến các quá trình hóa học 2 Công thức Van’t Hoff 3 Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff Bài tập áp dụng chương II.. Một số phương pháp xác định hằng số

SỞ GIÁO DỤC - ĐÀO TẠO NAM ĐỊNH TRƯỜNG THPT CHUYÊN LÊ HỒNG PHONG

Sáng kiến dự thi cấp tỉnh BÁO CÁO SÁNG KIẾN

KHAI THÁC KIẾN THỨC VỀ

CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG

HỌC SINH GIỎI

Trình độ chuyên môn : Thạc sĩ Hóa học

Nơi công tác : Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong

Nam Định, tháng 5 năm 2015

Phần thứ nhất THÔNG TIN CHUNG VỀ SÁNG KIẾN

1 Tên sáng kiến: KHAI THÁC KIẾN THỨC VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI.

2 Lĩnh vực áp dụng sáng kiến: Đây là một trong những chuyên đề dùng để bồi

dưỡng HSGQG, học sinh giỏi thi khu vực các trường THPT chuyên khu vực duyênhải và đồng bằng Bắc Bộ, là nội dung kiến thức dạy học sinh chuyên Hóa 10,11;

là tài liệu cho học sinh chuyên Hóa và giáo viên dạy môn Hóa học

3 Thời gian áp dụng sáng kiến: Từ tháng 9 năm 2014 đến tháng 5 năm 2015

4 Tác giả:

Nơi thường trú : Số nhà 19/88 đường Vị Xuyên - Nam Định

Trình độ chuyên môn : Thạc sĩ Hóa học

Chức vụ công tác : Giáo viên

Nơi làm việc : Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong, T.P Nam ĐịnhĐịa chỉ liên hệ : Số nhà 19/88 đường Vị Xuyên - Nam Định

NỘI DUNG SÁNG KIẾN

Chương I Khái quát về cân bằng hóa học Hằng số cân bằng

1) Chiều hướng diễn biến các quá trình hóa học

2) Công thức Van’t Hoff

3) Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff

Bài tập áp dụng chương II.

Chương III Một số phương pháp xác định hằng số cân bằng

1) Xác định hằng số cân bằng bằng phương pháp nhiệt động

2) Xác định hằng số cân bằng bằng phương pháp gián tiếp tổ hợp cân bằng 3) Xác định hằng số cân bằng theo thành phần các chất tại thời điểm cân bằng 4) XĐ hằng số cân bằng của phản ứng tại T 1 bằng hằng số cân bằng tại T 2

Bài tập áp dụng chương III.

Chương IV Các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển dịch cân bằng

1) Ảnh hưởng của sự biến đổi nồng độ

2) Ảnh hưởng của sự biến đổi nhiệt độ

3) Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất

4) Ảnh hưởng của sự đưa vào một cấu tử trơ 5) Việc thêm các khí hoạt động vào hệ.

Bài tập áp dụng chương IV.

Chương V Các trường hợp riêng.

1 Sự phá vỡ cân bằng.

2 Cân bằng nối tiếp.

3 Cân bằng đồng thời.

Chương VI BÀI TẬP TỔNG HỢP

IV Hiệu quả do sáng kiến đem lại

V Kiến nghị và đề xuất.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phần thứ hai

I Điều kiện hoàn cảnh tạo ra sáng kiến

Trong bộ môn Hóa học nói chung và Hóa học đại cương nói riêng, cân bằnghóa học luôn là một phần khó, gây khó khăn cho học sinh khi học tập

Xây dựng và hệ thống một số nội dung lí thuyết chuyên đề cân bằng hóa học

áp dụng cho học sinh chuyên Hóa nhằm giúp học sinh bao quát được lượng rộngkiến thức và hiểu sâu các vấn đề về cân bằng hoá học góp phần nâng cao hiệu quảhọc tập của học sinh

Vận dụng các bài tập cân bằng hóa học để hiểu rõ và nắm vững các vấn đềtrong quá trình luyện tập cho các kì thi Học sinh giỏi với mục đích trong thời gianngắn nhất học sinh có thể nắm bắt và giải quyết được nhiều tình huống nhất, đúcrút được vốn hiểu biết và kinh nghiệm cho bản thân

Vì những lí do trên tôi đã xây dựng và hệ thống chuyên đề “Cân bằng hóahọc” để nghiên cứu nhằm giúp học sinh có thể nắm được nội dung của vấn đề và

có thể ứng dụng trong làm bài tập nhằm hỗ trợ trong các bài thi học sinh giỏi thikhu vực các trường THPT chuyên khu vực duyên hải và đồng bằng Bắc Bộ, Họcsinh giỏi Quốc gia hay Quốc tế Đây là một trong các chuyên đề mà tôi đã sử dụng

để dạy học sinh giỏi trong kì thi chọn HSGQG, học sinh chuyên Hóa 10, 11 và ôntập cho học sinh giỏi thi khu vực các trường THPT chuyên khu vực duyên hải vàđồng bằng Bắc Bộ

để chiếm lĩnh tri thức được Mà giáo viên phải tạo cơ hội cho học sinh có đượcphương pháp, kĩ năng, thói quen, ý chí tự học từ đó tạo cho các em lòng ham học,

khơi dậy nội lực vốn có trong mỗi con người, kết quả học tập của học sinh sẽ đượcnhân lên gấp bội Vì vậy tôi viết sáng kiến kinh nghiệm với nội dung KHAI THÁCKIẾN THỨC VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỂ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎIvới mục đích làm cho môn hóa học, đặc biệt là chuyên đề này ngày càng dễ hiểu,thiết thực, gần gũi và lôi cuốn học sinh khi học, giúp các em học sinh trong mộtkhoảng thời gian rất ngắn có thể hiểu được những kiến thức cơ bản để có thể ápdụng để giải bài tập mà không cảm thấy khó khăn trong vấn đề tích hợp kiến thứctrong nhiều giáo trình.

Nội dung kiến thức đều có trong các giáo trình và tài liệu tham khảo, nhưng

có tài liệu viết sơ sài, có tài liệu lại viết quá sâu về vấn đề này Đối với học sinhchuyên THPT chỉ áp dụng kiến thức ở mức độ vừa phải để các em có thể hiểu và

áp dụng để giải các bài tập trong lĩnh vực các cuộc thi olympic khu vực, thiHSGQG, và có thể xa hơn nữa Vấn đề ở chỗ trong một khoảng thời gian rất ngắnviệc các em tự nghiên cứu tài liệu và rút ra những kiến thức vừa phải cho mình làrất khó khăn.Từ những thực trạng trên tôi thấy việc viết sáng kiến kinh nghiệm trên

là cần thiết cho giáo viên và học sinh trong quá trình dạy học Việc này cần phảidành rất nhiều tâm sức Tôi mong rằng các đồng nghiệp hãy cùng tôi chung sức để

có được một hệ thống kiến thức áp dụng hiệu quả trong công tác giảng dạy

III Các giải pháp

Nội dung sáng kiến gồm 6 chương sau:

Chương I Khái quát về cân bằng hóa học Hằng số cân bằng

Bài tập áp dụng chương I.

Chương II Chiều hướng diễn biễn các quá trình hóa học Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff

Bài tập áp dụng chương II.

Chương III Một số phương pháp xác định hằng số cân bằng

Bài tập áp dụng chương III.

Chương IV Các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển dịch cân bằng

Bài tập áp dụng chương IV.

Chương V Các trường hợp riêng.

1 Sự phá vỡ cân bằng.

2 Cân bằng nối tiếp.

3 Cân bằng đồng thời.

Chương VI BÀI TẬP TỔNG HỢP

Trong mỗi phần đều có đưa ra những phương pháp giải, 15-20 bài tập mẫu, các bài tập tham khảo

Phần thứ baNỘI DUNG SÁNG KIẾN

Cân bằng hoá học : Nghiên cứu khả năng, chiều hướng và giới hạn của phản ứng, nghĩa là trong

những điều kiện nào một phản ứng hoá học có thể xảy ra, tự xảy ra theo chiều nào, khi nào phản ứng đạt cân bằng, hiệu suất phản ứng là bao nhiêu, ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài đến sự chuyển dịch cân bằng phản ứng như thế nào.

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ CÂN BẰNG HÓA HỌC

HẰNG SỐ CÂN BẰNG1) Phản ứng thuận nghịch

Trong nhiều quá trình hóa học, các chất phản ứng có thể biến hóa hoàn toànthành sản phẩm của phản ứng Ví dụ như khi được đốt nóng và có mặt chất xúc tácmangan đioxit (MnO2), muối kali clorat (KClO3) phân hủy hoàn toàn thành kaliclorua (KCl) và oxi theo phản ứng:

2KClO3 ⇌ 2KCl + 3O2Nhưng KCl và O2 không thể kết hợp lại với nhau tạo thành KClO3 Nhữngphản ứng chỉ xảy ra theo một chiều như vậy gọi là phản ứng một chiều

Khi cho khí hidro đi qua oxit sắt từ (Fe3O4) được đốt nóng đến 500ºC, xảy raphản ứng tạo thành Fe và H2O:

Fe3O4 + 4H2 ⇌ 3Fe + 4H2ONgược lại nếu cho sắt hạt tác dụng với hơi nước ở 500ºC ta lại thu được H2

và Fe3O4 theo phản ứng ngược lại:

3Fe + 4H2O ⇌ Fe3O4 + 4H2Như vậy ở cùng điều kiện như nhau đã xảy ra hai phản ứng ngược chiềunhau, nghĩa là phản ứng đó có thể thực hiện theo hai chiều Những phản ứng đóđược gọi là phản ứng thuận nghịch Khi viết phương trình phản ứng thuận nghịch,người ta hay dấu → bằng dấu ⇌

Ví dụ:

Fe3O4 + 4H2 ⇌ 3Fe + 4H2O

Về lý thuyết có thể nói mọi phản ứng đều thuận nghịch nhưng trong thực tếphản ứng đó dịch chuyển hầu như hoàn toàn về một phía mà thôi.

Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là không thể thực hiện được một cáchhoàn toàn, nghĩa là các chất phản ứng không thể biến hết thành các sản phẩm

Ví dụ: Khi trộn 1mol khí CO2 với 1 mol khí H2 ở trong bình kín, rồi đốtnóng đến 1200ºC, nếu giữ cho nhiệt độ không đổi, thì khi tạo nên 0,6 mol khí CO

và 0,6 mol hơi nước, nhận thấy phản ứng dừng lại Lúc bấy giờ ở trong bình cònlại 0,4 mol khí CO2 với 0,4 mol khí H2 Sở dĩ ta thấy phản ứng về bề ngoài hìnhnhư ngừng lại là vì trong đó có phản ứng thuận nghịch xảy ra, nghĩa là:

CO2 +H2 ⇌CO + H2OSau khi trộn CO2 với H2 , chúng bắt đầu tác dụng với nhau tạo nên CO và

H2O Do phản ứng xảy ra, nồng độ của CO2 với H2 giảm dần theo thời gian và tốc

độ phản ứng thuận giảm dần Nhưng đồng thời những sản phẩm của phản ứngthuận là CO và H2O lại bắt đầu tác dụng với nhau tạo nên CO2 với H2 Nồng độ của

CO và H2 do phản ứng thuận tạo ra được tăng lên dần Đến một lúc nào đó, tốc độcủa phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch

Lúc đó, trong mỗi đơn vị thời gian có bao nhiêu phân tử CO2 với H2 mất đi

do phản ứng thuận thì có bấy nhiêu phân tử CO với H2O được tạo nên do phản ứngnghịch Bởi vậy dù có để lâu bao nhiêu đi nữa, nếu các điều kiện bên ngoài đượcgiữ không đổi, nồng độ của cả bốn chất trong hệ phản ứng trên đây vẫn không đổi

Nếu làm thí nghiệm của phản ứng nghịch, nghĩa là trộn mol 1 CO với 1 mol

H2O trong bình kín và cũng đốt nóng đến 1200ºC thì cũng thu được những kết quảnhư trên : 0,4 mol CO2, 0,4 mol H2, 0,6 mol CO và 0,6 mol H2O

Một hệ phản ứng khi có tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịchđược gọi là ở trạng thái cân bằng hóa học Nhìn bề ngoài lúc đó tưởng chừng phảnứng đã ngừng lại (ΔG = 0) nhưng thực tế vẫn luôn luôn diễn ra đồng thời quá trìnhthuận và quá trình nghịch cho nên cân bằng đó được gọi là cân bằng động

2) Định luận tác dụng khối lượng

Trong điều kiện nhiệt độ, áp suất không đổi xét phản ứng tổng quát:

Chú ý: Hoạt độ chất rắn hoặc chất lỏng nguyên chất bằng 1.

Đối với những hệ phản ứng dị thể, người ta chứng minh được rằng hằng sốcân bằng chỉ phụ thuộc vào pha khí hoặc pha lỏng (trong trường hợp dung dịch)

Ví dụ: Đối với phản ứng thuận nghịch:

FeO(r) + CO(k) ⇌ CO2(k) + Fe(r)

KP là hằng số cân bằng tính từ áp suất riêng

Những số mũ a, b, c, d,… là những hệ số của các chất trong phương trìnhphản ứng

b) Hằng số cân bằng K c (hằng số cân bằng nồng độ)

Với các chất khí lý tưởng Pi = CiRT với Ci là nồng độ chất i

Tại trạng thái cân bằng nồng độ chất i bằng [i]

Với: Δn = ( c + d + …) – ( a + b +…)

→

c) Hằng số cân bằng theo số mol K n

Ta có

Trong đó: n là tổng số mol các khí tại cân bằng

P là áp suất toàn phần của hệ

Nhận xét: Học sinh cần nắm vững về biểu thức tính Kp, từ số mol ban đầu cần tính

ra số mol của các chất tại thời điểm cân bằng, rồi thay vào biểu thức tính Kp Nắm

chắc mối liên hệ (K c , K p ), (K x , K p ) Chú ý Kx không phải hằng số cân bằng vì nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất

Giải:

Ban đầu 1

[ ] 1-a 2a

Tổng số mol hỗn hợp sau phản ứng ån = 1+a (mol)

Kx không phải hằng số cân bằng vì nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất

Bài 2: Nitrosyl clorua là một chất rất độc, khi đun nóng sẽ phân hủy thành nito

monoxit và clo.

(kJ/

c) Tính gần đúng Kp của phản ứng ở 475K.

Nhận xét: Bài này tính Kp dựa vào biểu thức vì vậy cần tính

theo dữ kiện đề bài Tính gần đúng Kp của phản ứng ở475K Đây là nhiệt độ khác với nhiệt độ ban đầu nên cần dùng công thức liên hệ

Kp tại nhiệt độ khác nhau

Trong công ngiệp người ta dùng oxi không khí dư để thực hiện phản ứng ở T=700K và có chất xúc tác ở áp suất thường.

Khi cân bằng ở áp suất 1 atm và 700K thu được hỗn hợp khí gồm 0,21 mol

SO 2 ; 5,37 mol O 2 ; 10,30 mol SO 3 và 84,12 mol N 2 Tính hằng số cân bằng Kp.

Nhận xét: Kp được tính bằng tích áp suất riêng phần của các chất sản phẩm chiacho tích áp suất riêng phần của các chất tham gia tại thời điểm cân bằng với số mũcủa nó

Giải:

Tại cân bằng, tổng số mol của hệ là:

Bài 4: Khí N 2 O 4 kém bền, bị phân ly 1 phần theo phản ứng:

(M h là khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khi ở trạng thái cân bằng).

Tính hằng số cân bằng Kp của (1) ở mỗi nhiệt độ trên.

Nhận xét: Bài cho của các chất như vậy có mối liên hệ để tính Kc, mà đề bàihỏi tính hằng số cân bằng Kp của phản ứng ở mỗi nhiệt độ trên Như vậy sau khitính Kc, ta dung biểu thức liên hệ Kc, Kp để tính Kp

Tại cân bằng, tổng số mol khí là:

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí là:

Ở 45oC thì

Bài 5: Tính hằng số cân bằng Kp đối với phản ứng:

ở 25 o C

Kp sẽ thay đổi thế nào khi phản ứng được viết dưới dạng

Nhận xét: Đây là bài toán cần tính Kp dựa vào biểu thức liên hệ với Chú ýkhi thay đổi hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình có ảnh hưởng đến Kpcủa phản ứng

Giải:

Xét phương trình:

Bài 6: Ở 50 o C và dưới áp suất là 0,344 atm độ phân ly a của N 2 O 4(k) thành NO 2

Nhận xét: Dữ kiện đề bài cho ở 50oC và dưới áp suất là 0,344 atm độ phân ly acủa N2O4(k) thành NO2 bằng 63% như vậy đây là dữ kiện để tính Kp, sau đó dùngbiểu thức liên hệ giữa Kp với Kc, Kx để xác định Kc, Kx

Tại cân bằng tổng số mol khí là:

Bài 8: Người ta đun nóng 1 lượng PCl 5 trong một bình kín thể tích 12 l ở 250 o C

Lúc cân bằng trong bình có 0,21mol PCl 5 , 0,32 mol PCl 3 ; 0,32 mol Cl 2 Tính hằng số cân bằng Kc, Kp.

Giải:

Tại cân bằng tổng số mol khí là

Có

Bài 9: Tính các hằng số cân bằng Kx, Kc, Kp của phản ứng:

Giải:

Bài 11: Tính hằng số cân bằng của phản ứng:

Vậy:

Bài 12: Thiết lập phương trình biểu thị hằng số cân bằng Kp đối với phản ứng

đêhiđro hóa xiclohexan.

Với giả thiết lượng xiclo hexan lấy ban đầu là 1 mol và dưới áp suất của hệ

là P=1 atm.

Giải:

Ban đầu 1

[ ] 1 – a a 3a

Bài 13: Ở 600 K đối với phản ứng

0,500 và 0,425 mol/l.

Tìm Kc, Kp của phản ứng.

Giải:

Bài 16: Ở 378K hằng số cân bằng Kp của phản ứng

bằng 6,4 10 – 9 Nhiệt đốt cháy của etanol và

axetadehit là – 1412 và – 1196 kJ/mol.

Nhiệt hình thành của nước bằng – 287 kJ/mol.

Có 2 yếu tố tác động lên chiều hướng diễn biến của các quá trình hóa học.

Đó là entanpi ∆H và entropi ∆S

-Quá trình tự diễn biến khi ∆H < 0, nghĩa là khi năng lượng của hệ giảm, hệchuyển từ trạng thái có năng lượng cao hơn sang trạng thái có năng lượng thấphơn, do đó hệ trở nên bền vững hơn

-Quá trình tự diễn biến khi ∆S < 0, nghĩa là hệ chuyển từ trạng thái có độhỗn loạn thấp sang trạng thái có độ hỗn loạn cao hơn, do đó hệ trở nên bền vữnghơn

Có thể xét rằng 2 yếu tố này tác động đồng thời lên hệ, nhưng theo 2 chiềungược nhau Thật vậy:

-Về phương diện hóa học, entanpi giảm khi các nguyên tử kết hợp với nhau

để tạo thành các phân tử với các liên kết bền vững Nhưng trong trường hợp đó ∆S

<0, độ hỗn loạn của hệ giảm đi Ngược lại khi ∆S > 0 nghĩa là entropi thuận lợicho quá trình, thì hệ lại hấp thụ năng lượng để phá vỡ liên kết của các phần tử, do

đó ∆H của hệ tăng lên Nói cách khác luôn có sự cạnh tranh giữa 2 yếu tố ∆H và

∆S trong cuộc cạnh tranh này yếu tố nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều hướng củaquá trình Sự cạnh tranh này được thể hiện qua thế đẳng áp – đẳng nhiệt G

Ta tìm được biểu thức biểu diễn tác động tổng hợp của 2 yếu tố entanpi vàentropi: ∆G = ∆H - T∆S

-Khi ∆S = 0, nghĩa là đối với quá trình trong đó không có sự thay đổi mức

độ hỗn loạn, yếu tố entropi không ảnh hưởng tới diễn biễn quá trình Quá trình chỉchịu ảnh hưởng của yếu tố entanpi Nó sẽ tự diễn biến khi ∆H < 0, nghĩa là ∆G < 0

-Khi ∆H = 0, nghĩa là đối với quá trình trong đó không có sự hấp thụ haygiải phóng năng lượng, chẳng hạn quá trình khuếch tán các khí, yếu tố entanpikhông ảnh hưởng tới diễn biễn quá trình Quá trình chỉ chịu ảnh hưởng của yếu tốentropi Nó sẽ tự diễn biến khi ∆S > 0, nghĩa là ∆G < 0

-Khi ∆H < 0, ∆S > 0 Cả hai yếu tố entanpi và entropi cùng thuận lợi cho sựdiễn biến của quá trình Khi đó ∆G < 0

-Khi ∆H > 0, ∆S < 0 Cả hai yếu tố entanpi và entropi cùng không thuận lợicho sự diễn biến của quá trình, quá trình không thể tự xảy ra được Khi đó ∆G > 0

-Khi ∆H < 0, ∆S < 0 Quá trình được thúc đẩy bởi yếu tố entanpi, nhưng lại

bị cản trở bởi yếu tố entropi Quá trình chỉ có thể tự diễn biến khi yếu tố entanpimạnh hơn entropi, nghĩa là ∆G < 0

Còn trong quá trình ngược lại, tức là khi ∆H > 0, ∆S > 0, nghĩa là quá trìnhđược thúc đẩy bởi yếu tố entropi, nhưng lại bị cản trở bởi yếu tố entanpi Quá trìnhchỉ có thể tự diễn biến khi yếu tố entanpi yếu hơn entropi, nghĩa là ∆G < 0

Như vậy, trong tất cả các trường hợp quá trình tự diễn biến, biến thiên thếđẳng áp – đẳng nhiệt đều nhỏ hơn 0, nghĩa là thế đẳng áp – đẳng nhiệt giảm Từđây chúng ta rút ra tiêu chuẩn của tính tự diễn biến của quá trình Đó là trong 1 quátrình tự diễn biến thì ∆G < 0

Chú ý: Nếu đối với quá trình thuận ∆G < 0 (tự diễn biến) thì đối với quátrình nghịch (không tự diễn biến) ∆G >0 Khi ∆G = 0 quá trình có thể xảy ra theo

cả 2 chiều ngược nhau

2) Công thức Van’t Hoff:

Từ công thức cơ bản của nhiệt động lực học : ∆G°=∆H ° - T∆S° = -RTlnKRút ra : lnK =

Giả sử nhiệt độ T1 hằng số cân bằng của phản ứng là K1, còn nhiệt độ T2hằng số cân bằng của phản ứng là K2 Cũng giả thiết rằng trong khoảng từ T1 đến

Biểu thức này gọi là công thức Van’t Hoff Sử dụng biểu thức này người ta

có thể xác định được giá trị của hằng số cân bằng nhiệt độ T2 khi biết giá trị của nó

ở nhiệt độ T1 và hiệu ứng nhiệt của phản ứng, hay xác đinh hiệu ứng nhiệt củaphản ứng khi biết giá trị của hằng số cân bằng ở hai nhiệt độ khác nhau.

3) Phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff:

Xét phản ứng giữa các khí lí tưởng thực hiện ở điều kiện và áp suất khôngđổi:

Do các chất tham gia và tạo thành trong phản ứng đều là khí lí tưởng:

Ta có:

Hay:

Khi phản ứng đạt cân bằng : ∆G = 0:

(1

(2)

(3)

Chỉ số cân bằng chỉ áp suất riêng phần của các chất ở lúc cân bằng Vì đốivới một chất, m0

i (T) chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên đối với một phản ứng đã cho,

∆G0 = const ở mỗi nhiệt độ xác định Từ đó suy ra biểu thức hằng số cân bằng ở T

= const:

So sánh (2) và (3) ta được biểu thức liên hệ giữa thế đảng áp và hệ số cânbằng:

Thay biểu thức này vào (1) ta được phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff:

Phương trình được gọi là phương trình đẳng nhiệt của phản ứng hoá học

Nếu kí hiệu: =

kí hiệu áp suất riêng phần của các chất ở trạng thái cân bằng là Pi thì điều kiện cânbằng của phản ứng sẽ là: = KP hay = KP KP được gọi làhằng số cân bằng của phản ứng, biểu thị qua áp suất riêng phần

Có thể xác định KP của phản ứng bằng thực nghiệm hay lí thuyết Chỉ cầnxác định DG hoặc tính giá trị ở thời điểm khảo sát và so sánh với giá trị KP củaphản ứng là có thể biết được chiều hướng và giới hạn của phản ứng ở điều kiện T,

KC là hằng số cân bằng của phản ứng biểu thị qua nồng độ mol/

KC = với Ci là nồng độ mol/ của chất i ở trạng thái cân bằng

Phương trình được gọi là phương trình đẳng nhiệt của phản ứng Các

phương trình này áp dụng cho các phản ứng của khí lí tưởng Phương trình nàycũng áp dụng cho các phản ứng trong dung dịch loãng Nếu các khí là khí thực thìphải thay áp suất riêng phần Pi bằng hoạt áp fi và hằng số cân bằng KP hằng Kf.Nếu dung dịch không loãng hoặc các khí không lí tưởng thì phải thay nồng độ Cibằng hoạt độ ai và hằng số KC bằng Ka

được viết gọn lại là: DF = RT (ln - ln KC)

Khi biết giá trị DG, DF của các phản ứng, ta có thể so sánh khả năng tự diễnbiến của các phản ứng khác nhau Việc so sánh đó phải được thực hiện trong điềukiện như nhau (điều kiện tiêu chuẩn)

Người ta qui ước đối với phản ứng của các khí lí tưởng thì điều kiện tiêuchuẩn là áp suất riêng phần của các khí bằng 1 atm; đối với các phản ứng tiến hànhtrong dung dịch hoặc trong pha khí, điều kiện tiêu chuẩn là hoạt độ hoặc hoạt ápcủa tất cả các chất tham gia phản ứng trong hỗn hợp đầu phải bằng đơn vị Đối vớiphản ứng giữa các chất ngưng tụ (lỏng, rắn) điều kiện tiêu chuẩn là các chất đónằm ở áp suất bằng 1 atm (1,01325.105 Pa) Ví dụ, để thực hiện phản ứng:

N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3

ở điều kiện tiêu chuẩn phải tạo một hỗn hợp khí có áp suất chung là 3 atm, trong

đó = 1 atm, = 1 atm, = 1 atm, rồi cho phản ứng tiến hành Dễ thấy rằng

ở điều kiện tiêu chuẩn ln = 0 và ln = 0 và các phương trình đẳng nhiệt códạng:

DGo = - RT ln KP

DFo = - RT ln KC

ở đây DGo và DFo là biến thiên thế đẳng áp và biến thiên thế đẳng tích của phảnứng trong điều kiện tiêu chuẩn Các hệ thức cho phép tính DGo hoặc DFo khi biếthằng số cân bằng của phản ứng hoặc ngược lại Biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩncủa phản ứng ở nhiệt độ T được tính theo hệ thức:

= -

ở đây và là hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn và biến thiên entropi tiêu chuẩn củaphản ứng Hoặc có thể tính dựa vào các thế đẳng áp hình thành chuẩn của cácchất phản ứng (kí hiệu là ) Thế đẳng áp hình thành chuẩn của một chất là

biến thiên thế đẳng áp của quá trình tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ởtrạng thái bền vững nhất ở điều kiện tiêu chuẩn (T = 298 K, P = 1,01325.105 Pa)

Đối với phản ứng:

A A + B B = C C + D D = (C + D ) - (A + B ) hay =  ( )cuối -  ( )đầu

= - T = -74848 - 198 (-80,66) = -50811 J

lg KP = = = 8,91=>KP = 8,0.108

Ví dụ 4 Xác định biến thiên thế đẳng áp của quá trình hoá hơi H2O lỏng ở T =298K và P = 1,01326.105 Pa (1 atm), biết thế đẳng áp hình thành chuẩn của H2Olỏng và H2O hơi lần lượt là -118001,4 và -236964,2 J.mol-1

= - = -236964,2 -(-118001,4) =-118962,8 J

< 0 chứng tỏ ở 298 K và 1 atm quá trình hoá hơi của nước là tự xảy ra

Dựa vào phương trình (1 9) có thể xét được chiều hướng và giới hạn của phản ứng ở điều kiện T, P = const:

Nếu DG < 0 hay < KP thì phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận

Nếu DG > 0 hay > KP thì phản ứng tự xảy ra theo chiều nghịch

Nếu DG = 0 hay = KP phản ứng đạt trạng thái cân bằng

Dựa vào (1.14) có thể xét được chiều hướng và giới hạn của phản ứng ở điềukiện T, V = const:

Nếu DF < 0 hay < KC thì phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận

Nếu DF > 0 hay > KC thì phản ứng tự xảy ra theo chiều nghịch

Nếu DF = 0 hay = KC phản ứng đạt trạng thái cân bằng

H2 + I2 ⇌ 2HI

có giá trị KC = 50 Xét chiều hướng của phản ứng khi nồng độ các chất trong hỗnhợp ban đầu có các giá trị sau đây:

1 [H2] = 2 mol/ [I2] = 5 mol/ [HI] = 10 mol/

2 [H2] = 1,5 mol/ [I2] = 0,25 mol/ [HI] = 5 mol/

3 [H2] = 1 mol/ [I2] = 2 mol/ [HI] = 10 mol/

Giải Áp dụng phương trình (1.11) vào phản ứng trên ta có:

Trường hợp 1: DF = 8,3143 693 2,303 = -9274 J

Trường hợp 2: DF = 8,3143 693 2,303 = 1658,8 JTrường hợp 3: DF = 8,3143 693 2,303 = 0

Kết quả thu được cho thấy trong trường hợp 1, phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận; trong trường hợp 2 theo chiều nghịch và trong trường hợp 3 phản ứng ở trạng thái cân bằng

BÀI TẬP ÁP DỤNG CHƯƠNG II

Bài 1:

Đối với phản ứng: H 2 +I 2 D 2HI

Người ta đã thu được các dữ kiện sau:

764 45.9 Xác đinh hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Vôi đuợc sản xuất theo phản ứng:

CaCO 3 (r) ® CaO (r) +CO 2 (k)

∆H ° (kJ/mol) -1207 -634 -394

S ° (J/mol.K) 89 40 214

b Xác định chiều của phản ứng ở 298K và 1200K

Giả sử ∆H, ∆S không thay đổi theo nhiệt độ

Giải:

a Điều kiện tiêu chuẩn của phản ứng: T=298K, PCO2=1 atm

b ∆H°pư= ∆H°CO2 + ∆H°CaO - ∆H°CaCO3

Do ∆H, ∆S không thay đổi theo nhiệt độ:

T1 = 298K ® ∆G1= 129,8 kJ > 0: phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

T2 = 1200K ® ∆G2 =-19 kJ <0 : phản chiều ứng xảy ra theo chiều thuận

∆G = ∆H + TPhân li biến và tích phân phương trình Gibbs – Helmholtz:

∆G°1 (T) của HCl (k) và ∆G°2 (T) của AgCl(r).

Giải:

a H2(k) + Cl2 (k) + ® HCl(k) (1)

Ta có :

Vậy thế đẳng áp chuẩn tạo thành của HCl (k) biểu diễn theo T là :

Ag(r) + Cl2 (k) ® AgCl(r) (2)Tương tự phản ứng (1) ta cũng có:

Bài 7: Tính của phản ứng :

N 2 O 4 D 2NO 2 Cho biết hằng số cân bằng

Giải:

Bài 8: Tính của phản ứng : 2NO 2 D N 2 O 4 ngược với phải ứng trên

Nhận xét: Ta thấy rằng đối với hai phản ứng ngược nhau thì là nghịch đảo của

nhau, còn có giá trị tuyệt đối bằng nhau nhưng trái dấu

Bài 9: Tính ở 25 °C của phản ứng: C(graphit) + H 2 (k) ® CH 4 (k)

Giải:

Bài 10: Tính áp suất tối thiểu của N 2 O 4 trong hỗn hợp với NO 2 có áp suất riêng

Giải:

Trong bài tập số 7, , có nghĩa là ở điều kiện chuẩn (

) phản ứng không tự diễn biến Vì nên phải có giá trị tối thiểu thỏa mãn hệ thức sau đây:

Vậy ở áp suất , , phản ứng sẽ tự diễn biến

Bài 11: Tính của phản ứng:

Biết của Fe, O 2 và Fe 2 O 3 tương ứng bằng 27,3; 205; 87,4J/K.mol.

Giải:

Bài 12: Tính trong sự hình thành 1 mol nước lỏng biết các giá trị entropi

của sự hình thành nước lỏng bằng -285,83 J/K.mol

Giải:

Bài 13:Tính , và đối với phản ứng phân hủy nhiệt CaCO 3 biết:

CaCO 3 CaO CO 2

Giải:

chứng tỏ ở 25oC và 1 atm nhiệt phân CaCO3 không xảy ra được

Bài 14: Sự gỉ sắt diễn ra ở 25 o C, 1 atm theo phương trình phản ứng

Mà:

Vậy

chứng tỏ sự gỉ là quá trình tự phá hủy của kim loại ở điều kiện thường

về nhiệt độ và áp suất