Hóa đại cương chuong8 can bang hoa hoc

Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha CÂN BẰNG HĨA HỌC CHƯƠNG VIII: I Cân hóa học: Phản ứng thuận nghịch: - Phản ứng chiều (phản ứng hồn tồn): phản ứng hóa học xảy có chất tham gia phản ứng hết Khi viết phương trình phản ứng ta dùng dấu “=” TD: - 2KClO3 MnO , t = 2KCl + 3O Phản ứng thuận nghịch (phản ứng khơng hồn tồn): phản ứng xảy theo hai chiều ngược điều kiện Khi viết phương trình phản ứng ta dùng dấu “⇄” TD: Fe3O4(r) + 4H2(k) ⇄ 3Fe(r) + 4H2O(k) Phản ứng theo chiều mũi tên từ trái sang phải gọi phản ứng thuận Phản ứng theo chiều ngược lại gọi phản ứng nghịch *Đặc điểm phản ứng thuận nghịch là: khơng có chất ban đầu tham gia phản ứng hết, hỗn hợp phản ứng lúc có đủ chất phương trình phản ứng, hay nói cách khác phản ứng khơng có thời điểm kết thúc mà đạt đến trạng thái cân hóa học Trạng thái cân hóa học a Định nghĩa: Cân hóa học trạng thái phản ứng thuận nghịch tốc độ phản ứng hai chiều hay nồng độ chất không thay đổi ứng với điều kiện bên ngồi xác định TD: Thí nghiệm 1: Trước phản ứng (mol/l): Cân (mol/l): H2(k) + 360 C I2(k) ← → HI(k) 1 0,2 0,2 1,6 Đến lúc tốc độ phản ứng thuận tốc độ phản ứng nghịch nghĩa đơn vị thời gian đơn vị thể tích có phân tử HI tạo thành có nhiêu phân tử HI bị phân hủy, lý luận tương tự cho H I2 Do nồng độ tất chất không thay đổi nữa, hay tỉ lệ số mol nồng độ chất số(10% H2, 10%I2, 80% HI) Hệ đạt đến trạng thái cân Từ dù có để phản ứng diễn tỉ lệ không đổi giữ nguyên điều kiện bên b Đặc điểm phản ứng thuận nghịch: 54 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha - Trong điều kiện (nhiệt độ, áp suất, chất xúc tác) phản ứng thuận nghịch xảy theo chiều thuận lẫn chiều nghịch - Trạng thái cân không thay đổi theo thời gian khơng có điều kiện bên thay đổi - Dù xuất phát từ chất đầu hay từ sản phẩm cuối, người ta thu kết nhau: Thí nghiệm (ngược TN1) 2HI(k) Trước phản ứng (mol/l) 360 C ← → H2(k) + I2(k) 0 1,6 0,2 0,2 80% 10% 10% Cân (mol/l) - Trạng thái cân hóa học trạng thái cân động (phản ứng diễn ra) - Trạng thái cân ứng với ΔG = II Hằng số cân mức độ diễn q trình hóa học: Hằng số cân bằng: Xét phản ứng đồng thể đơn giản tổng quát: aA + bB ⇄ cC + dD - Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt = k t CaA C bB = k n C cC CdD KC = k t CcC CdD = k n CaA C bB Với kt, kn số tốc độ phản ứng thuận phản ứng nghịch - Vì kt kn số nhiệt độ xác định nên K c số nhiệt độ xác định Hằng số Kc gọi số cân biểu diễn theo nồng độ - Trường hợp cân thiết lập chất khí, ta thay nồng độ chất áp suất riêng phần chất biểu thức tính số cân bằng: p cC p dD ( C C RT ) ( C D RT ) C cC C dD ( RT ) ( c+d)−(a + b ) = = a b a b a b p A p B ( C A RT ) ( C B RT ) CACB c Kp = d => Kp = Kc (RT)∆n Trong đó: Δn = ∑n khí(sản phẩm) - ∑n khí(chất đầu) R = 0,082 ℓ.atm/mol0K => Khi Δn = ( phản ứng khơng có chất khí số mol khí khơng đổi) Kp = Kc *Nhắc lại: 55 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha • Áp suất riêng phần chất khí (Pi): áp suất mà khí có chiếm tồn thể tích hỗn hợp nhiệt độ (cùng V, T) • Áp suất riêng phần tỉ lệ thuận với tỉ lệ mol khí (xi) hỗn hợp: Pi = xi.Phh • Tổng áp suất riêng phần áp suất chung hỗn hợp: Phh = ∑ Pi i TD: Ở 3750C, phản ứng thuận nghịch có số cân bằng: N2 (k) + 3H2 (k) ⇄ 2NH3 (k) , Kp = 4,3.10-4 Nồng độ ban đầu(M): Xác định nồng độ chất trạng thái cân ? Giải: Tính số cân theo nồng độ: Kc = Kp (RT)-∆n = 4,3.10-4 (0,082.(375+273))-(2-(1+3)) = 1,214 Thiết lập dòng: N2 (k) + 3H2 (k) ⇄ 2NH3 (k) Ban đầu (M): Phản ứng: x 3x 2x Cân bằng: 1-x 3-3x 2x Tại cân bằng, quan hệ thiết lập: ( 2x ) Cc Cd K C = aC Db ⇔ 1,214 = (Điều kiện: < x < ) CACB (1 − x )( − 3x ) Nghiệm phù hợp phương trình x = 0,558 Vậy nồng độ chất trạng thái cân là: [N2] = – x = 0,4420 M [H2] = – 3x = 1,3260 M [NH3] = 2x = 1,1160 M Cân hệ dị thể: - Đối với phản ứng dị thể có tham gia chất khí, áp suất riêng phần chất rắn thăng hoa chất lỏng bay nhiệt độ xác định số nên số cân Kp, KC phụ thuộc chất pha khí: TD: CaCO3(r) ⇄ CaO(r) + CO2(k) 56 Chương VIII: Cân hóa học K′p = Nguyễn Minh Kha p CaO pCO pCaCO K p = K′p p CaCO p CaO = p CO - Đối với phản ứng dị thể diễn dung dịch, độ tan chất khí chất rắn khó tan số nhiệt độ xác định, nồng độ dung môi coi không thay đổi trình phản ứng, nên số cân KC phụ thuộc vào nồng độ chất tan dung dịch Hằng số cân đại lượng nhiệt động a Quan hệ số cân độ thay đổi đẳng áp: Đối với phản ứng: aA + bB ⇄ cC + dD  p cC pdD   a b   pA p B τ Nếu phản ứng diễn pha khí: ΔG T = ΔG 0T + RTln  • (mọi thời điểm) Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: ΔG T =  pc pd  ΔG 0T = −RTln  Ca Db  = −RTlnK p  p A p B  cb • (1) Nếu phản ứng diễn pha dung dịch:  C cC C dD  ΔG T = ΔG + RTln  a b   CACB τ T ΔG T = Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng:  Cc Cd  ΔG 0T = −RTln  aC Db  = −RTlnK C  C A C B  cb (2) Biểu thức (1) (2) cho biết mối quan hệ số cân K p Kc với độ biến đổi đẳng áp Hằng số cân phụ thuộc vào chất phản ứng (∆G0) mà phụ thuộc vào nhiệt độ Khi ∆G0 âm (∆G0 1, trình diễn sâu, hiệu suất q trình cao TD: Tính số cân phản ứng: NO2(k) ⇄ N2O4(k) 0 298K biết ΔH 298pu = −58,040kJ ΔS298pu = −176,6J/K 57 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha 0 Giải: Ta có: ΔG 298 = ΔH 298 − TΔΔ298 = - 58040 + 298.176,6 = - 5412,3J lnK p = − => Kp p N 2O Hay: p 2NO2 ΔG 5412,3 = = 2,185 RT 8,314x298 = 8,9 = 8,9 Như lúc ban đầu ta lấy p N O = p NO = 1atm , nhiệt độ thường phản ứng tự xảy tạo nên N2O4 với tỉ lệ lớn b Quan hệ số cân với nhiệt độ nhiệt phản ứng Từ phương trình: ΔG o = ΔH o − T∆S0 Và hệ thức: ΔG o = − RTlnK p → lnK p = − ΔH ΔS0 + RT R Gọi K1 K2 số cân nhiệt độ T1 T2, ta có: lnK1 = − ΔH ΔS0 + RT1 R ΔH ΔS0 lnK = − + RT2 R ln K ΔH  1   −  = K1 R  T1 T2  TD: Tính số cân Kp 325oC phản ứng: NO(k) + ½ O2(k) ⇄ NO2(k) Biết: ∆H0 = -57,07kJ/mol Kp = 1,3.106 250C K 598 ΔH  1    = − K 298 R  T298 T598  K 598 57070  1  => Kp598 = 12,45 ln =− −   1,3.10 8,314  298 598  ln II Các yếu tố ảnh hưởng đến cân hóa học: Sự chuyển dịch cân bằng: 58 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha Nếu hệ trạng thái cân mà ta thay đổi thơng số trạng thái hệ (p, C, T…) nói chung hệ thức thay đổi ( ∆GT ≠ ) hệ trở nên không cân bằng, tức vt ≠ Phản ứng xảy (theo chiều thuận chiều nghịch) hệ đạt trạng thái cân mới, tương ứng với điều kiện Sự chuyển từ trạng thái cân sang trạng thái cân khác ảnh hưởng tác động bên lên hệ gọi chuyển dịch cân Nguyên lý chuyển dịch cân Le Châtelier (1850 – 1936) Một hệ trạng thái cân ta thay đổi thông số trạng thái hệ (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) cân chuyển dịch theo chiều có tác dụng chống lại thay đổi a Ảnh hưởng nồng độ tới chuyển dịch cân Xét phản ứng: vt = kt CFe 3+ CSCN − Fe3+ + 3SCN- ⇄ Fe(SCN)3 = knCFe (SCN ) Đỏ  Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: vt =  Nếu tăng nồng độ Fe3+ lên lần: vt' = kt 2CFe 3+ CSCN − = 2vt vn' = Khi tăng nồng độ Fe3+, vt tăng lên làm tăng nồng độ Fe(SCN)3 (màu đỏ dung dịch đậm hơn) → cân chuyển dịch theo chiều thuận → nồng độ Fe3+ ↓ Như vậy: Một hệ trạng thái cân bằng, ta làm tăng nồng độ chất lên cân dịch chuyển theo chiều làm giảm nồng độ chất xuống ngược lại b Ảnh hưởng nhiệt độ tới chuyển dịch cân Dựa vào hệ thức: ln K p = − ∆H ∆S + RT R Ta thấy biến đổi số cân theo nhiệt độ định dấu ∆H0  Nếu ∆H0 > (phản ứng thu nhiệt), T ↑ → K cb = kt ↑ → Khi T ↑: kt tăng kn mạnh kn, nghĩa vt > cân chuyển dịch theo chiều thuận (chiều phản ứng thu nhiệt) Ngược lại, giảm nhiệt độ, K giảm, nghĩa cân dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều phản ứng tỏa nhiệt) 59 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha  Nếu ∆H0 < (phản ứng tỏa nhiệt), T ↑ → K cb = kt ↓ → Khi T ↑: kn tăng kn mạnh kt, nghĩa > vt cân chuyển dịch theo chiều nghịch (chiều phản ứng thu nhiệt) Ngược lại, giảm nhiệt độ, K tăng, nghĩa cân dịch chuyển theo chiều thuận (chiều phản ứng tỏa nhiệt) → Một hệ trạng thái cân bằng, tăng nhiệt độ hệ, cân dịch chuyển theo chiều phản ứng thu nhiệt ngược lại  TD: Xét cân : 2NO2(k) ⇄ N2O4(k) ,∆H0 = -58,04kJ Màu nâu không màu Ở 2980K ta có Kp = 8,9, nghĩa p N O = 8,9 p NO Khi làm lạnh hỗn hợp cân cách nhúng bình đựng hỗn hợp vào nước đá, màu nâu nhạt cân dịch chuyển phía tạo thành phân tử N 2O4 không màu K 273 ∆H  1  = −   K 298 R  298 273  K − 58040 ln 273 = x(−3,07.10 − ) = 2,145 8,9 8,314 ln K 273 = 2,186 + 2,145 = 4,331 Thật vậy, 2730K ta có: ln K 273 = 76,02 nghĩa p N O = 76,02 p NO Như 00C, tỷ lệ N2O4 hỗn hợp tăng lên so với 250C => Như yếu tố nồng độ nhiệt độ ta tóm tắt theo sơ đồ sau: Q + A + B (ΔH > 0) ⇄ C + D + Q (ΔH < 0) c Ảnh hưởng áp suất tới chuyển dịch cân Giả sử có hệ phản ứng gồm chất khí trạng thái cân bằng: Ví dụ: 2NO(k)+ O2(k) ⇄ 2NO2(k) vt = k t C NO C O2 v n = k n C NO  Lúc cân có: vt =  Khi tăng áp suất chung hệ lên lần cách giảm thể tích xuống nửa, nồng độ chất tăng gấp đôi Lúc này: 60 Chương VIII: Cân hóa học Nguyễn Minh Kha vt' = kt ( 2C NO ) 2CO2 = 8kt C NO CO2 = 8vt ( vn' = k n 2C NO2 ) 2 = 4knC NO = 4vn → Khi tăng áp suất chung hệ lên lần, vt' > v n' , cân chuyển dịch bên phải → tạo thêm NO2 → tổng số phân tử hỗn hợp ↓ → áp suất chung hệ ↓  Ngược lại, giảm áp suất chung hệ xuống lần cách tăng thể tích lên gấp đôi Lập luận tương tự ta thấy cân dịch chuyển phía phân hủy NO2 thành NO O2, phía làm tăng áp suất hệ Như vậy: • Một hệ phản ứng chất khí trạng thái cân bằng, tăng áp suất chung hệ, cân chuyển dịch theo chiều có tác dụng làm giảm số mol khí hệ ngược lại • Đối với phản ứng khơng có chất khí (ở trạng thái dung dịch rắn) có chất khí số mol khí khơng đổi thay đổi áp suất ( thể tích) khơng làm ảnh hưởng đến trạng thái cân 61