bài giảng hóa đại cương Can bang HH

IV CÂN BẰNG HÓA HỌC ĐỒNG THỂ Phản ứng thuận nghịch trạng thái cân hóa học a Khái niệm phản ứng thuận nghịch - Phản ứng chiều (phản ứng hoàn toàn):  2KClO    2KCl  3O Ví dụ: - Phản ứng thuận nghịch (phản ứng khơng hồn tồn): ↔ b MnO 2 Trạng thái cân hóa học vt k t C I C H 2  k nCHI   Ở thời điểm ban đầu:  = 0: Theo thời gian: v vt  : C H , C I max  vt = max CHI =  = C H , C I2   vt  CHI    vt = vn cb  Nhận xét đặc điểm phản ứng thuận nghịch: - Ở đk, pư xảy theo chiều thuận nghịch - Kết pư không phụ thuộc vào hướng tới - Nếu điều kiện phản ứng khơng thay đổi dù kéo dài phản ứng đến bao lâu, trạng thái cuối hệ nguyên: trạng thái cân hóa học - Trạng thái cân hóa học trạng thái cân động - Trạng thái cân ứng với  G = Hằng số cân mức độ diễn phản ứng hóa học đồng thể a Hằng số cân aA + bB ↔ cC + dD - Khi trạng thái đạt cân bằng: vt =  k t C Aa C Bb k n C Cc C Dd k t C Cc C Dd KC   a b k n C AC B - K – số nhiệt độ xác định: số cân - Cân chất khí pCc pDd  CC RT   CD RT  CCc CDd  RT   c  d  a  b    a b a b a b p A pB  C A RT   CB RT  C AC B c Kp  K p  K C  RT  d n - Đối với phản ứng dị thể: Ví dụ: CaCO3(r) ↔ CaO(r) + CO2(k) K p  pCaO pCO2 pCaCO3 → K p  K p p CaCO3 pCaO  pCO2 b Hằng số cân đại lượng nhiệt động  Quan hệ số cân độ thay đổi đẳng áp aA + bB ↔ cC + dD  Khí:  p Cc p Dd  GT G  RT ln a b   p A p B  T Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: GT =  pCc pDd  G   RT ln a b    RT ln K p  p A pB  cb T   CCc C Dd  Lỏng: GT G  RT ln a b  C AC B T    Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: GT =  C Cc C Dd G  RT ln a b  C AC B T   Kp = f(bc pư, T)    RT ln K C   cb Kp  f(C) G   RT ln K p  RT ln Q  RT ln  Q Kp pCc pDd Q a b p A pB -Nếu Q < Kp → G < → phản ứng xảy theo chiều thuận -Nếu Q > Kp → G > → phản ứng xảy theo chiều nghịch -Nếu Q = Kp → G = → hệ đạt trạng thái cân  Ví dụ: Tính số cân phản ứng: NO2(k) ↔ N2O4(k) 0 298oK biết H 298 pu   58,040kJ S298pu   176,6 J / K Giải: 0 G298 H 298  TS 2980 - 58040  298 176,6 = - 5412,3J G 5412,3 ln K p   2,185 RT 8,314 298 Kp   p N O4 p NO 8,9 Quan hệ Kp với nhiệt độ nhiệt phản ứng G o  H o  TS o G o  RT ln K p H S ln K1   RT1 R H S ln K   RT2 R K H  1     ln  K1 R  T1 T2  Ví dụ: NO(k) + ½ O2(k) ↔ NO2(k) Tính Kp 3250C? Biết: H0 = -56,484kJ Kp = 1,3.106 250C K 598 H  1    ln   K 298 R  T298 T598  K 56484  1  ln 598      11,437 8,314  298 598  1,3.10 ln K 325 2.64 K 325 14.02 Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học a Sự dịch chuyển cân aA + bB ↔ cC + dD  pCc p Dd  Khi hệ đạt trạng thái cb: GT  RT  ln K p  ln a b p A pB    0   Nếu p, C, T… thay đổi → GT  → hệ  cb → vt  → Phản ứng xảy hệ đạt trạng thái cb → chuyển dịch cân b Ảnh hưởng nồng độ tới dịch chuyển cân H2 + I2 ↔ 2HI v t k t C H C I 2  knCHI  Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt = '  Nếu tăng nồng độ H2 lên lần: vt k t 2C H C I 2vt v n' v n → Khi CH ↑ vt↑ → cb chuyển dịch theo chiều thuận → CH ↓ 2 c Ảnh hưởng nhiệt độ tới dịch chuyển cân H S ln K p   RT R  Nếu H0 > 0: T ↑ → K↑ → cb: thuận (thu nhiệt) Khi ↓T → K ↓ → cb: nghịch (tỏa nhiệt)  Nếu H0 < 0: T ↑ → K↓ → cb: nghịch (thu nhiệt)  Ví dụ: Khi ↓T → K ↑ → cb: thuận (tỏa nhiệt) 2NO2(k) ↔ N2O4(k), H0 = -58,04kJ Màu nâu khơng màu Ở 298K ta có Kp = 8,9 → p N 2O4 8,9 p NO2 K 273 H  1  ln     K 298 R  298 273  K  58040 ln 273  ( 3,07.10  ) 2,145 8,9 8,314 ln K 273 2,186  2,145 4,331 K 273 76,02 Ở 273K p N 2O4 76,02 p NO d Ảnh hưởng áp suất tới dịch chuyển cân Ví dụ: 2NO(k)+ O2(k) ↔ 2NO2(k) vt k t C NO C O2 v n k n C NO  Khi tăng P lên lần nồng độ chất tăng gấp đôi vt'  kt  2C NO  2CO2 8kt C NO CO2 8vt  vn'  kn 2C NO2  2  4knC NO  4vn P↑ lần → cb: phải → tạo thêm NO2 → ∑n ↓ → P↓ P↓ lần → cb: trái → tạo thêm NO O2 → ∑n ↑ → P↑ e Nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier (1850 – 1936, người Pháp) Phát biểu: Một hệ trạng thái cân mà ta thay đổi thông số trạng thái hệ (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) cân dịch chuyển theo chiều có tác dụng chống lại thay đổi Ngun lý Le Chatelier khơng cho phản ứng hóa học mà cịn cho trình khác V CÂN BẰNG PHA Các khái niệm  Cân pha nghiên cứu trạng thái cân thành phần đồng thể hệ, nghĩa nghiên cứu cân pha hệ  Cấu tử hệ chất riêng biệt cần thiết để tạo thành hệ Ví dụ: Hệ nước đá – nước lỏng – nước: hệ cấu tử - Dung dịch nước muối: hệ hai cấu tử: muối nước - Đối với hệ có xảy tương tác hóa học số cấu tử số chất  Số bậc tự (biến độ) hệ cân số thơng số hệ cân tự thay đổi mà không thay đổi số chất pha hệ Những thơng số C, T p Ví dụ : - Hệ gồm nước co Quy tắc pha (Gibbs – 1876): Số bậc tự hệ cân mà chịu ảnh hưởng thơng số bên ngồi nhiệt độ áp suất, số cấu tử hệ trừ số pha cộng với T=C–P+2 Ví dụ 1: Hệ gồm pha nước có số bậc tự T = – + = nhiệt độ áp suất - Hệ cân gồn pha nước nước lỏng có số bậc tự T = – + = nhiệt độ áp suất - Hệ cân gồm pha: nước đá – nước lỏng – nước Số bậc tự T = – + = Nghĩa khơng có thơng số bên ngồi thay đổi mà không làm thay đổi số pha chất pha: cân tồn T = 0,00990C p = 0,006atm P(atm) B C Nước đá (I) 0,00 Nước lỏng (II) O A 0,0099 Hơi nước (III) 100 T0C Ví dụ 2: Trong hệ cân bằng: CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k) Số cấu tử C = – = Số bậc tự T = – + = Ta có mối liên hệ số cân đẳng áp: G   RT ln P CO Nếu chọn T xác định P riêng phần H2O phải có giá trị định ngược lại Các hệ cấu tử : C = const, có biến số T P Trên giản đồ trạng thái nước: - Ở vùng I, II, III: số pha P = 1, số bậc tự T = – + = (nhị biến): nhiệt độ áp suất - Các đường cong OA, OB, OC biểu diễn cân cặp pha: nước đá – nước, nước đá – nước lỏng, nước lỏng – nước Số bậc tự do: T = – + = 1: OA biểu diễn phụ thuộc áp suất bão hòa nước đá vào nhiệt độ; OB biểu diễn phụ thuộc nhiệt độ hóa rắn nước vào áp suất bên ngoài; OC biểu diễn phụ thuộc áp suất bão hòa nước lỏng biểu diễn phụ thuộc áp suất bão hòa nước đá vào nhiệt độ vào nhiệt độ Các hệ hai cấu tử