hóa hữu cơ cân bằng hóa học

CÂN BẰNG HỐ HỌC BỘ MƠN HỐ PHÂN TÍCH KIỂM NGHIỆM TS PHAN THANH DŨNG MỤC TIÊU HỌC TẬP  Trình bày định nghĩa phân loại phản ứng hóa học  Trình bày khái niệm cân hóa học  Tính số cân hoá học  Phân biệt hoạt độ nồng độ  Giải số tập cân hóa học PHẢN ỨNG HĨA HỌC ĐỊNH NGHĨA Phản ứng hóa học phản ứng liên kết hay nhiều nguyên tố liên kết hóa học chất tham gia phản ứng thay đổi tạo chất (sản phẩm) Na2CO3 + CaCl2  2NaCl + CaCO3↓ - Có thay đổi lượng tuân theo định luật bảo toàn lượng - Phản ứng kết thúc => cân phản ứng hố học CÁC LOẠI PHẢN ỨNG HĨA HỌC Phản ứng kết hợp (synthesis reaction) Trong phản ứng này, hay nhiều chất đơn giản kết hợp để tạo nên chất phức tạp Dạng bản: A + X → AX N2(k) + 3H2(k) → 2NH3(k) NH3(k) + H2O(l) → NH4OH (nước) PHẢN ỨNG HÓA HỌC Phản ứng phân hủy (decomposition reaction) Dạng bản: AX → A + X 2H2O → 2H2 + O2 Phản ứng trao đổi (replacement reaction) Dạng bản: A + BX → AX + B hay AX + Y → AY + X + Phản ứng trao đổi đơn (single replacement reaction) 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2 + Phản ứng trao đổi kép (double replacement reaction) AgNO3 + NaCl → AgCl + NaNO3 Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O + Phản ứng trao đổi ion Dạng bản: AX + BY → AY + BX NaCl (nước) + AgNO3(nước) → NaNO3(nước) + AgCl(r) Phản ứng oxy hóa – khử C10H8+ 12O2 → 10CO2 + 4H2O + nhiệt Pb + Pb02 + 4H+ + 2SO42– → 2PbSO4 + 2H20 KHÁI NIỆM VỀ SỰ CÂN BẰNG HÓA HỌC CH3COOH + NaOH CH3COONa + H20 - Khi tốc độ phản ứng di chuyển theo chiều thuận theo chiều nghịch nồng độ chất tham gia phản ứng nồng độ sản phẩm không thay đổi theo thời gian => Phản ứng đạt trạng thái cân - Cân hóa học trình cân động + Cân vật lý H2O (l)  H2O (k) + Cân hóa học 2NO2 (k)  N2O4 (k) KHÁI NIỆM VỀ SỰ CÂN BẰNG HÓA HỌC Chú ý:  Một hệ thống cân không cần lượng để trì cân  Khơng nên lẫn lộn trạng thái cân trạng thái tĩnh Trạng thái tĩnh trạng thái mà nồng độ không đổi theo thời gian  Cân hoá học trạng thái động chất tham gia phản ứng sản phẩm chuyển đổi liên tục cho Tốc độ xuất chúng HOẠT ĐỘ VÀ NỒNG ĐỘ Hoạt độ: Lewis (Mỹ, 1907) pH= - lg[H+] Nồng độ mol HCl pH theo lý thuyết pH theo thực nghiệm Sai số 0.00050 3.30103 3.31 -0.00897 0.0100 2.04 -0.04 0.100 1.10 -0.1 0.4 0.39794 0.52 -0.12206 Biểu thức pH= - lg[H+] xác giới hạn pha lỗng pH thật tính theo hoạt độ ion hydrogen khơng tính theo nồng độ Nghĩa pH= -lg aH+ Tổng quát, hoạt độ nồng độ có mối liên quan theo công thức: a =  C hay a = f C với a: hoạt độ;  (hoặc f): hệ số hoạt độ; C: nồng độ mol; Trong dung dịch pha loãng, hệ số hoạt độ thường = => hoạt độ = nồng độ HOẠT ĐỘ VÀ NỒNG ĐỘ Lực ion: lực ion ảnh hưởng đến hoạt độ ion Đại lượng ký hiệu I Một chất điện ly MxXm phân ly thành: MxXm = xMm+ + mXxCác ion dương Mm+ ion âm Xx- phải có mặt dung dịch tách riêng hoạt độ ion dương âm Do vậy, thường dùng đại lượng hoạt độ ion trung bình (a) a =  C (MmXx)-(m+x) Đối với ion dương âm, C nồng độ tỷ lượng chất điện ly Hệ số hoạt độ trung bình tính theo biểu thức    (    )1/(      ) Trong + - số cation anion đơn vị công thức chất điện ly HOẠT ĐỘ VÀ NỒNG ĐỘ Phương trình Debye Huckel mở rộng:  I 1/   lg     A z z  1/  1 I  A số tùy thuộc vào tính chất dung mơi z+, z-: điện tích ion Ví dụ: H2O: a= 0,5085 250C -I lực ion xác định theo phương trình I = Zi2Ci -trong Ci nồng độ ion i  HOẠT ĐỘ VÀ NỒNG ĐỘ  Cách tính hệ số hoạt độ f: Để tính hệ số hoạt độ, trước hết ta cần xác định lực ion I dung dịch I = 0,5[C1Z12 + C2Z22 + ] = 0,5∑CiZi2 Dựa vào phương trình Debye Huckel để tính hệ số f:  lg fi  0,5  Zi2  I  r  0,33 108  I Trong đó: Zi: điện tích ion cần tính f r: bán kính trung bình ion solvat hố cho, dung dịch nước r  10-8cm Do đó: 0,5  Zi2  I  lg fi  1 I (*) Do xác định thực nghiệm giá trị fi ion nên người ta thay hệ số hoạt độ phương trình (*) hệ số hoạt độ trung bình cho ion có điện tích ±1, ±2 (fZ±) Biểu thức cho dung dịch nước lực ion ≤ 0,2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI Chất phản ứng, sản phẩm phân tán dung môi Nếu lượng dung môi thay đổi => nồng độ thay đổi Thí dụ: Ag+ + 2NH3 Ag(NH3)2+ 2 Ag NH     Ag  NH   Khi loãng với đồng tích nước, nồng độ chất giảm nửa Do hệ số phản ứng   0.5Ag NH 2  Q 0.5Ag  0.52 NH 2        0.5  Ag NH 2  Q      0.5  Ag NH      Vì Q > 2, cân phải tái lập cách dịch chuyển sang trái làm giảm nồng độ Ag(NH3)2+ Hơn nữa, vị trí cân hướng phía có số chất tan nhiều Nếu ↑ Ag(NH3)2+ - Việc ↑ thể tích ln làm phản ứng diễn ưu tiên theo hướng có số phần tử nhiều ↓ thể tích thúc đẩy phản ứng theo hướng có phần tử (áp dụng cho phản ứng, pha) - Nếu số phần tử hai vế phương trình nhau: cân phản ứng không bị ảnh hưởng thay đổi thể tích CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG VÀ SẢN PHẨM TẠO THÀNH -Hệ thống cân phản ứng bị phá vỡ trực tiếp CH3COOH (nước) + H2O (l)  H3O+ (nước) + CH3COO- (nước) Ở nhiệt độ định, dung dịch khác acid acetic có giá trị khác cho nồng độ H3O+, acetat, acid acetic, ln có giá trị Ka - Nếu thêm vào CH3COONa => ↑ CH3COO-, => có khả ↑ Ka - Tuy nhiên, giá trị Ka giữ ngun khơng đổi, nồng độ ba phần tử phương trình phải thay đổi để phục hồi Ka Như hệ thống cân phản ứng bị phá vỡ thay đổi nồng độ chất tham gia phản ứng hay sản phẩm tạo thành CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG VÀ SẢN PHẨM TẠO THÀNH Hệ thống phá vỡ cách gián tiếp AgCl  Ag+ + Cl- Thêm AgNO3 - Nếu thêm NH3 (một chất tạo phức bền tan với Ag+): Ag+ + 2NH3 Ag(NH3)2+ Thêm NH3 => ↓ nồng độ Ag+ dạng phức Ag(NH3)2+ Sự ↓ nồng độ Ag+ => ↑ độ tan AgCl phản ứng tái lập điểm cân => NH3 tác động độ tan AgCl, NH3 chất tham gia phản ứng AgCl + 2NH3 Ag(NH3)2+ + Cl-* Ví dụ: Nếu thêm HNO3 vào cân phương trình * thay đổi nào? HNO3 + NH3 NH4+ + NO3Khi thêm HNO3 vào làm giảm NH3 Việc giảm nồng độ NH3 làm phản ứng * xảy theo chiều tạo chất phản ứng, giảm độ tan AgCl BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC XỬ LÝ CÁC HẰNG SỐ CÂN BẰNG - Nếu ta đảo ngược phản ứng số cân phản ứng nghịch đảo phản ứng đầu Thí dụ AB  K  A + 2B  AB2 AB Là nghịch đảo phản ứng AB2  A + 2B AB  K2   AB  K1 - Nếu cộng hai phản ứng với để tạo phản ứng số cân phản ứng tích số số cân phản ứng ban đầu AC  K  A + C  AC AC  AC  AC C  AC + C  AC2 K2  A + 2C  AC2 K  K1 K  AC   AC   AC  AC  AC C  AC 2 BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HỐ HỌC BÀI TẬP VỀ TÍNH ÁP SUẤT CÂN BẰNG RIÊNG PHẦN Xét phản ứng: PCl5(k)  PCl3(k) + Cl2(k) Kp = 1,05 2500C Nếu áp suất riêng phần trạng thái cân PCl5 PCl3 0, 875 atm 0,463 atm áp suất riêng phần trạng thái cân Cl2 250 0C bao nhiêu? Giải: trước tiên tính Kp Kp  PPCl3 PCl2 PPCl5 0.463PCl  1,05  0,875  PCl2  1,050,875  1,98 atm 0,463 BÀI TẬP VỀ CHUYỂN ĐỔI KC THÀNH KP KC: HSCB theo nồng độ, KP: HSCB theo áp suất phần khí b  PAa   B Xét phương trình: aA (k)  bB (k) thì: Kc  , Kp  b a PB  A Theo phản ứng N2 (k) + 3H2(k) ⇋ 2NH3(k) Giá trị KP = 4,3 × 10-4 375 0C Hãy tính KC? KC  KP 0,0821T n T0 = 273 Kelvin Δn = số mol sản phẩm khí – số mol chất khí tham gia) nên ta có T = 648 Kelvin Δn = 2- = -2 4,3  10 4 KC  0,0821 648 2  1,2 BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC BÀI TẬP VỀ DỰ ĐOÁN CHIỀU CỦA PHẢN ỨNG Cho phản ứng: N2(k) +3H2 (k)  2NH3 (k) - Ban đầu có 0,249 mol N2; 3,21 × 10-2 mol H2 6,42 × 10-4 mol NH3 bình chứa 3,5 lít 375 0C Nếu Kc= 1,2 - a Hãy giải thích hệ thống có cân hay khơng? - b Nếu khơng phản ứng có khuynh hướng di chuyển theo chiều nào? Các bước tiến hành - Qc: đại lượng thu sử dụng nồng độ ban đầu biểu thức số cân Để xác định chiều phản ứng so sánh Qc Kc Có trường hợp xảy ra: - Qc  Kc: Tỷ số nồng độ ban đầu sản phẩm chất tham gia lớn Để đạt cân bằng, sản phẩm phải chuyển thành chất tham gia => Phản ứng di chuyển theo chiều trái - Qc= Kc: phản ứng thời điểm cân - Qc  Kc: Tỷ số nồng độ ban đầu sản phẩm chất tham gia nhỏ Để đạt cân bằng, chất tham gia phải chuyển thành sản phẩm Phản ứng di chuyển theo chiều phải Nếu trường hợp số sử dụng Kp tính Qp BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC BÀI TẬP VỀ DỰ ĐOÁN CHIỀU CỦA PHẢN ỨNG Gỉải N2 (k) + 3H2(k) ⇋ 2NH3(k) N 0  0,249mol  0,0711 3,50 L H 0 M 3,21  10 2 mol   9,17  10 3 3,50 L M 6,42  10 4 mol   1,83  10 4 3,50 L M NH 0 NH 02  1,83  10 4   N 0 H 0 0,07119,17  10 3 3  0,61  Qc - Qc  Kc: Hệ không cân phản ứng di chuyển theo chiều phải BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC BÀI TẬP VỀ TÍNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG Mơt hệ gồm cặp đồng phân hình học dung môi hữu Kc = 24,0 2000C Cis – stilben  Trans - stilben Giả thuyết lúc đầu có Cis – stilben có mặt nồng độ 0,850 mol /lít Hãy tính nồng độ đồng phân thời điểm cân bằng? Các bước tiến hành: Bước 1: Diễn tả nồng độ cân tất chất theo nồng độ ban đầu ẩn số Bước 2: Diễn tả số cân theo nồng độ cân Giá trị số cân biết dùng để giải phương trình theo x Bước 3: Sau xác định giá trị x, tính nồng độ cân tất chất Cis – stilben Nồng độ ban đầu (M) Thay đổi nồng độ (M) Nồng độ cân Trans - stilben 0,850 -x +x 0,850 -x x BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC BÀI TẬP VỀ TÍNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG Viết biểu thức số cân theo nồng độ cân Kc  Trans  stilben  Cis  stilben  24,0  x 0,850  x x = 0,816 M Đáp số: a [Cis – stilben] = 0,034M b [Trans – stilben] = 0,816 M BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HỐ HỌC BÀI TẬP VỀ TÍNH ĐỘ TAN CỦA MỘT CHẤT TRONG NƯỚC Xác định nồng độ Pb2+ IO3 độ tan Pb(IO3)2 dung dịch bão hòa cho Pb(IO3)2 vào nước cất Phản ứng cân Pb(IO3)2  Pb2+ + 2IO3Và số cân 2  13 **  K sp  Pb IO   2.5  10 Khi cân thiết lập, 2IO3 tạo tương ứng với ion Pb2+ Giả sử nồng độ mol Pb2+ điểm cân x => nồng độ IO3 2x BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HỐ HỌC BÀI TẬP VỀ TÍNH ĐỘ TAN CỦA MỘT CHẤT TRONG NƯỚC Pb(IO3)2 Pb2+ 2IO3- Nồng độ ban đầu Chất rắn 0 Thay đổi nồng độ Chất rắn +x +2x Nồng độ cân Chất rắn + x = x + 2x = 2x Thế nồng độ cân vào phương trình ** x2x2  2.5 10 13 x  2.5  10 13 x  3.97  10 5 Do nồng độ cân Pb2+ IO3- Pb   x  4.0 10 2 5 M I   2x  7.9 10  5 M Vì mol Pb(IO3)2 chứa mol Pb2+, độ tan Pb(IO3)2 nồng độ Pb2+; độ tan Pb(IO3)2 4,0  10-5 M BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HỐ HỌC BÀI TẬP TÍNH ĐỘ TAN CỦA MỘT CHẤT TRONG DUNG DỊCH CÓ ION CÙNG TÊN Độ tan Pb(IO3)2 bị ảnh hưởng vào dung dịch Pb(NO3)2 0,1 M? Thiết lập bảng theo dõi nồng độ Pb2+ IO3- hệ thống Pb(IO3)2 Pb2+ 2IO3- Nồng độ ban đầu Chất rắn 0,10 Thay đổi nồng độ Chất rắn +x +2x Nồng độ cân Chất rắn 0,1 + x + 2x = 2x Thế nồng độ cân vào biểu thức độ tan sản phẩm phương trình ** 0.10  x2 x2  2.5 10 13 Và khai triển x  0.40 x  2.5  10 13 *** BÀI TẬP VỀ CÂN BẰNG HỐ HỌC BÀI TẬP TÍNH ĐỘ TAN CỦA MỘT CHẤT TRONG DUNG DỊCH CÓ ION CÙNG TÊN Dùng phương pháp ước lượng để giải Pb   0.10  x  0.10M 2 Thế vào phương trình *** 0.102 x2  2.5 10 13 x  7.91107 0.40 x  2.5  10 13 Giải thu x là: Trước chấp nhận nghiệm này, kiểm tra để xem ước lượng có hợp lý không Trong trường hợp ước lượng 0,1 + x = 0,1 dường hợp lý khác hai giá trị bỏ qua Do nồng độ cân Pb2+ IO3-  6 2 Pb   0.10  x  0.10M I   2x  1.6 10 Độ tan Pb(IO3)2 bổ sung Pb2+ dung dịch hay 7,9 10-7 mol/L Đúng suy đoán, độ tan Pb(IO3)2 bị giảm dung dịch có chứa ion Điều gọi hiệu ứng ion chung KẾT LUẬN Các loại phản ứng Khái niệm cân hóa học Hằng số cân Hoạt độ Nồng độ => Hiểu cách tổng quát cân hóa học phương pháp sử dụng hóa học phân tích để vận dụng tính tốn Chúc bạn đạt kết cao học tập