CHƯƠNG 3. THẾ NHIỆT ĐỘNG – THẾ HÓA HỌC ĐIỀU KIỆN CẦN BẰNG VÀ DIỄN BIẾN CỦA QUÁ TRÌNH
II. NGUYÊN LÝ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG LE CHÂTELIER
2. Ảnh hưởng của áp suất
Trong một phản ứng cân bằng có liên hệ đến khí, khi làm tăng áp suất thì mức cân bằng sẽ dời đổi theo chiều chống lại sự tăng áp suất, tức là chiều làm giảm số mol khí, còn khi làm giảm áp suất thì mức cân bằng sẽ dời đổi theo chiều làm tăng áp suất lên, tức là chiều tạo ra nhiều số mol khí hơn.
(4-16)
Với tổng số hệ số mol khí sản phẩm - tổng số hệ số mol khí tác chất.
phản ứng thiên về chiều thuận (chiều ít số mol khí hơn).
phản ứng thiên về chiều nghịch (chiều tạo ra nhiều số mol khí hơn).
Ví dụ:
=> người ta thực hiện phản ứng tổng hợp ở áp suất rất cao khoảng 200- 300atm.
* Nếu Số mol khí bên sản phẩm = số mol khí bên tác chất.
Từ:
Sự thay đổi áp suất trong trường hợp này không ảnh hưởng đến sự dời đổi mức cân bằng.
Ví dụ:
Sự dời đổi mức cân bằng của phản ứng này không ảnh hưởng bởi yếu tố áp suất.
* Nếu Số mol khí bên sản phẩm > số mol khí bên tác chất.
Từ:
* P tăng phản ứng thiên về chiều nghịch (chiều ít số mol khí hơn).
* P giảm phản ứng thiên về chiều thuận (chiều có nhiều số mol khí hơn).
Ví dụ:
khi áp suất giảm, phản ứng sẽ thiên về chiều tạo sản phẩm.
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong một phản ứng cân bằng, khi tăng nhiệt độ mức cân bằng sẽ dời đổi theo chiều chống lại sự tăng nhiệt độ tức là chiều làm nhiệt độ hạ xuống, chiều thu nhiệt. Trái lại, khi hạ nhiệt độ mức cân bằng sẽ dời đổi theo chiều làm nhiệt độ tăng lên, chiều tỏa nhiệt.
Ví dụ: với phản ứng:
, nên phản ứng tỏa nhiệt theo chiều tạo SO3 vậy khi hạ nhiệt độ thì cân bằng sẽ dời đổi theo chiều tạo ra thêm SO3. Tuy nhiên, trên thực tế, ta không thể hạ quá thấp nhiệt độ vì lúc bấy giờ, vận tốc phản ứng sẽ quá nhỏ, phản ứng xảy ra rất chậm, không có lợi về phương diện thời gian.
* Cách tính nhiệt phản ứng của phản ứng cân bằng:
Phản ứng tỏa nhiệt Phản ứng thu nhiệt
∆H = Ea1 - Ea - 1 < 0; ∆H = Ea1 - Ea - 1 > 0
Gọi lần lượt là năng lượng kích động của phản ứng thuận và phản ứng nghịch.
Ở điều kiện đẳng áp, ta có:
Theo Arrhénius:
k1 = A1e-Ea1/RT k_1 = A_1e-Ea-1/RT Trường hợp này
Muốn xác định nhiệt phản ứng ∆H người ta đo hằng số cân bằng K ở nhiều nhiệt độ T khác nhau, rồi vẽ đường biểu diễn lgK theo 1/T , sẽ được một đường thẳng mà hệ số góc là , tung độ gốc là C, từ đó xác định được ∆H của phản ứng (coi ∆H như không đổi trong khoảng nhiệt độ T khảo sát).
Với giảm nghĩa là khi T tăng, phù hợp với sự kiện
cân bằng dời đổi theo chiều thu nhiệt khi nhiệt độ tăng.
Với tăng nghĩa là khi T giảm, phù hợp với sự kiện
cân bằng dời đổi theo chiều tỏa nhiệt khi nhiệt độ giảm.
4. Áp dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng
Người ta vận dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng của Le Châtelier để điều khiển phản ứng cân bằng thiên nhiều về chiều nào mà người ta muốn có.
Ví dụ: Với phản ứng tổng hợp amoniac
Phản ứng này tỏa nhiệt và có sự giảm số phân tử khí (theo chiều thuận). Do đó muốn tạo ra khá nhiều NH3, người ta phải:
- Tăng nồng độ N2 hay H2, làm giảm nồng độ NH3 - Tăng áp suất.
- Hạ nhiệt độ phản ứng, tuy nhiên không thể hạ nhiệt độ quá thấp vì như thế vận tốc phản ứng sẽ rất chậm, nên người ta cần chọn nhiệt độ tối ưu để vừa thu được nhiều NH3 trong thời gian càng nhanh càng tốt.
- Dùng chất xúc tác thích hợp để thúc đẩy vận tốc phản ứng xảy ra nhanh hơn.
Trong thực tế điều kiện để thực hiện phản ứng tổng hợp amoniac là:
- Nhiệt độ khoảng 450 - 500oC.
- Áp suất khoảng 200 - 300 atm.
- Dùng chất xúc tác bột Fe được hoạt hóa bằng hỗn hợp
Với một phản ứng cân bằng ở thời điểm t bất kỳ, để biết phản ứng đang ở trạng thái cân bằng hay đang dịch chuyển theo chiều nào thì ta tính thương số Q của phản ứng rồi so sánh với hằng số cân bằng K tương ứng của phản ứng.
Nếu Q = K: phản ứng ở trạng thái cân bằng.
Nếu Q < K: phản ứng đang dịch chuyển theo chiều thuận nhằm đạt trạng thái cân bằng.
Nếu Q > K: phản ứng đang dịch chuyển theo chiều nghịch nhằm đạt trạng thái cân bằng.
mA(k) + nB(k) pC(k) + qD(k)
BÀI TẬP CHƯƠNG 4 Câu 1. Cho phản ứng cân bằng:
Biểu thức vận tốc của phản ứng thuận là:
Hãy viết biểu thức vận tốc của phản ứng nghịch.
Câu 2. Cho phản ứng cân bằng:
Biểu thức vận tốc của phản ứng thuận là:
v1 = k1[ CO ] [ Cl2 ] 3/2
Hãy viết biểu thức vận tốc của phản ứng nghịch.
H2(k) + I2(k) 2HI(k)
Ở 763 K có hằng số cân bằng Kc = 45,9 và hằng số vận tốc phản ứng thuận là
kt = 0,37M - 1.s- 1.
Tìm giá trị hằng số vận tốc phản ứng nghịch kn ở 763 K.
Câu 4. Với phản ứng:
2CH3I(k) -> CH3-CH3 (k) + I2(k) biểu thức vận tốc phản ứng là:
v = k [ CH3-I ]
a) Hãy cho biết biểu thức vận tốc của phản ứng nghịch.
b) Tính giá trị của phản ứng thuận ở 300oC.
c) Phản ứng thuận có xảy ra được ở 300oC hay không? Giải thích.
d) Ở nhiệt độ nào thì phản ứng nghịch xảy ra được?
e) Với quá trình cân bằng:
2CH3I(k) CH3-CH3(k) + I2(k) Hãy cho biết sự liên hệ giữa . f) Tính ở 300oC.
g) Trong sự nghiên cứu vận tốc phản ứng trên, có cần thiết để ý đến phản ứng nghịch ở 300oC hay không?
Cho:
Chất CH3I(k) CH3 - CH3(k) I2(k)
(KJ/mol)
20,5 - 84,67 62,24
(J/K. mol) 254,6 229,5 260,58
Coi không đổi theo nhiệt độ.
R = 8,315 J/mol.K.
Câu 5. Viết hằng số cân bằng (nếu áp suất tính bằng atm).
Cho biết hệ thức liên hệ giữa của các phản ứng sau:
a) 2NOCl (k) 2NO(k) + Cl2(k) b) Zn(r) + CO2(k) ZnO(r) + CO(k) c) MgSO4(r) MgO(r) + SO3(k) d) 2NO(k) N2(k) + O2(k)
e) CoO(r) + H2(k) Co(r) + H2O(k)
f) NOBr(k) NO(k) + Br2(k) g) 2SO2(k) + O2(k) 2SO3(k)
h) SO2(k) + O2(k) SO3(k) i) N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k)
Câu 6. Cho biết ảnh hưởng của áp suất trong các phản ứng cân bằng sau:
a) 2SO2(k) + O2(k) 2SO3(k)
b) CO(k) + H2O(k) H2(k) + CO2(k) c) COCl2(k) CO(k) + Cl2(k)
d) N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) e) 2NO2(k) N2O4(k)
Câu 7. Xem quá trình:
Cl2(k) 2Cl(k)
Mức cân bằng của quá trình trên sẽ dời đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ? Giải thích.
ÐS: Chiều thuận.
Câu 8. Xem phản ứng:
A(k) B(k) + C(k) Ở 300oC, Kp = 11,5atm Ở 500oC, Kp = 33 atm
a) Phản ứng trên thu nhiệt hay tỏa nhiệt?
b) Giả sử phản ứng trên xảy ra trong một giai đoạn thì năng lượng kích động Ea của phản ứng có trị số tối thiểu bằng bao nhiêu?
Lấy ; phương trình Van't Hoff cho biết liên hệ Kp theo nhiệt độ T là:
Câu 9. Ở 2000 K, phản ứng:
H2(k) + CO2(k) H2O(k) + CO(k)
Tính nồng độ của mỗi hóa chất ở mức cân bằng nếu một bình 10lít chứa lúc đầu .
Câu 10. Sự nhiệt phân carbamat amonium được biểu diễn bằng phương trình:
a) Ở 25oC, áp suất tổng quát của khí cân bằng với chất rắn là 0,116atm. Tính Kp của phản ứng.
b) Giả sử khi cân bằng đạt được, người ta thêm vào một lượng khí CO2 có áp suất riêng phần là 0,1atm. Hỏi áp suất cuối cùng của CO2 nhỏ hơn hay lớn hơn 0,1 atm? Áp suất của NH3 giảm hay tăng?
Câu 11. Xem phản ứng:
COCl2(k) CO(k) + Cl2(k)
a) Trị số cho trên có hợp lý không?
b) Dự đoán phản ứng trên thu nhiệt hay tỏa nhiệt?
c) Dự đoán ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức cân bằng.
d) Tính .
e) Tính hệ số phân ly là tỉ số giữa số
phân tử có lúc đầu)
Câu 12. Năng lượng tự do mol chuẩn thức của lần lượt là 20,72 và
12,39 .
a) Tính của phản ứng:
Kết luận.
b) Tính
Tính tỉ số . Kết luận.
c) Khi cho acid nitric loãng tác dụng với kim loại đồng ngoài khí trời thì nhận thấy hiện tượng gì? Dựa vào kết quả trên giải thích.
Câu 13. Cho biết:
Chất CO(k) CO2(k) Pb(r) PbO(r) (Kcal.mol- 1)
- 26,42 - 94,05 0 - 52,40
298 K (Kcal.mol- 1)
- 32,81 - 94,26 0 - 45,25
p (cal.K- 1.mol- 1) 6,95 8,76 6,34 11,07 Giả sử tỉ nhiệt mol đẳng áp không đổi trong khoảng nhiệt độ từ 25oC đến 127oC.
a) Tính của phản ứng:
PbO(r) + CO(k) Pb(r) + CO2(k)
b) Viết biểu thức .
c) Tính
Cho biết phương trình Van't Hoff liên hệ giữa
Câu 14. a) Cho phản ứng:
Tính áp suất tổng quát lúc cân bằng để có
b) ở áp suất tổng quát 1atm. Tính Kp.
Nếu áp suất tổng quát giảm xuống còn 0,5atm, thì độ phân ly biến đổi như thế nào?
Nếu thêm Argon vào môi trường ở điều kiện đẳng áp (1atm) thì độ phân ly tăng hay
Câu 15. Xem cân bằng:
CO2(k) + H2(k) CO(k) + H2O(k)
Giả sử không thay đổi bao nhiêu với nhiệt độ. Người ta cho vào bình cầu phản
ứng có thể tích .
Tính:
a)
b) Áp suất tổng quát lúc cân bằng.
c) Số mol của mỗi loại hóa chất sau khi cân bằng đạt được.
d)
Câu 16. Viết biểu thức hằng số cân bằng Kc đối với mỗi quá trình cân bằng sau:
a) 4NH3(k) + 3O2(k) 2N2(k) + 6H2O (k)
c) 2SO3(k) 2SO2(k) + O2(k)
f) N2(k) + 3H2(k) <v:shape id="_