Bài giảng Hóa đại cương - Chương 9: Cân bằng hóa học - Huỳnh Kỳ Phương Hạ

Chương 9
CÂN BẰNG HÓA HỌC
PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH TRẠNG 
THÁI CÂN BẰNG
Khái niệm phản ứng thuận nghịch
• Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra
theo hai chiều: Tạo sản phẩm và sản phẩm
phân hủy thành tác chất. Thực tế, đa số đều
là phản ứng thuận nghịch.
• Đặc điểm là bao giờ trong hệ cũng cùng tồn
tại tác chất và sản phẩm.
• Xét chất không màu khi làm lạnh N
2
O
4
. Ở nhiệt
độ phòng nó bị phân hủy thành NO
2
màu nâu:
N
2
O
4
(k) 2NO
2
(k) (khi t tăng)
• Sau một thời gian, màu ngừng thay đổi và ta có
hỗn hợp của N
2
O
4
và NO
2
.
• Cân bằng hóa học của một hệ xác định là điểm
mà tại đó nồng độ của tất cả các cấu tử không đổi
nữa.
• Cân bằng hóa học xảy ra khi phản ứng thuận và
phản ứng nghịch bằng nhau về tốc độ phản ứng.
• Sử dụng mô hình tương tác cho cân bằng hóa
học:
• Lúc bắt đầu phản ứng, không có phân tử NO
2
nào
phản ứng ngược lại (2NO
2
(k) N
2
O
4
(k)).
• Chỉ có sản phẩm NO
2
được tạo thành.
• Khi lượng NO
2
đủ lớn, bắt đầu có sự tạo thành N
2
O
4
từ 2 phân tử NO
2
tương tác với nhau.
• Tức là phản ứng nghịch sẽ xảy ra và gia tăng tốc độ
theo sự gia tăng sản phẩm tạo thành.
• Điểm mà tại đó tốc độ của sự phân hủy:
N
2
O
4
(k) 2NO
2
(k)
bằng với tốc độ của sự nhị hợp (dimerization):
2NO
2
(g) N
2
O
4
(g).
là cân bằng động học.
• Gọi là cân bằng động là bởi vì phản ứng thực tế không
dừng lại, chỉ có điều tốc độ phản ứng thuận bằng tốc
độ phản ứng nghịch.
Cân bằng động học
• Khi đạt cân bằng, cứ bao nhiêu N
2
O
4
phân hủy tạo NO
2
thì cũng có bấy nhiêu NO
2
phản ứng tạo N
2
O
4
:
• Mũi tên đôi chứng tỏ cân bằng động.
Phản ứng thuận: A B V
T
= k
T
[A]
Phản ứng nghịch: B A V
N
= k
N
[B]
• Tại cân bằng k
T
[A] = k
N
[B], hỗn hợp phản ứng lúc này
gọi là hỗn hợp cân bằng.
N2O4(g) 2NO2(g)
A B
Dù đi từ phía nào để đến trạng thái cân bằng thì trạng
thái này cũng chỉ là một mà thôi.
Cân bằng bị chuyển dịch nếu tác động vào hệ.
Điều kiện trạng thái cân bằng G = 0.
N
2
(k) + 3H
2
(k) 2NH
3
(k) 2NH3 (k) N2(k) + 3H2 (k) 
HẰNG SỐ CÂN BẰNG
• Cho phản ứng tổng quát trong pha khí:
aA (k) + bB (k) cC (k) + dD (k)
Vận tốc phản ứng:
V
T
= k
T
P
a
A
P
b
B
V
N
= k
N
P
c
C
P
d
D
, P
X
là áp suất riêng phần của 
chất X, xác định theo định luật Dalton.
Khi V
T
= V
N
, phản ứng đạt cân bằng, rút ra:
K
PP
PP
k
k
b
B
a
A
d
D
c
C
N
T
b
B
a
A
d
D
c
C
CC
CC
K
Hằng số cân bằng, phụ thuộc bản chất phản ứng,
nhiệt độ và không phụ thuộc nồng độ.
Với một phản ứng trong dung dịch:
Trong đó C
X
là hoạt độ (hay nồng độ trong dung dịch
loãng) của chất X.
Định luật tác dụng khối lượng
– “Khi một hệ đồng thể đạt đến cân bằng thì
tích nồng độ của các sản phẩm phản ứng chia
tích nồng độ các chất phản ứng - với số mũ
tương ứng là hệ số tỉ lượng – luôn là một hằng
số ở điều kiện nhiệt độ nhất định.”
• Liên hệ giữa K
P
và K
C
:
– Trong một phản ứng ở pha khí, liên hệ này được 
diễn tả như sau:
– Vì PV = nRT
– P = (n/V)RT = CRT (Vì n/V =C, nồng độ 
mol/lit).
– Thay vào biểu thức tính K
P
bên trên, ta có:
K
P
= K
C
(RT)
n
– n = (c+d)-(a+b), chỉ áp dụng cho các chất khí.
Tính chất của hằng số cân bằng
• K dựa trên áp suất riêng phần của khí, hoạt độ
(hay nồng độ mol) của tác chất và sản phẩm tại vị
trí cân bằng.
• K có thứ nguyên, nhưng thường thì bị bỏ qua.
• Hằng số cân bằng diễn tả tỉ lệ sản phẩm so với tác
chất.
• K>>1 tức là sản phẩm chiếm ưu thế.
• K<<1 tức là tác chất chiếm ưu thế.
• Hằng số cân bằng theo chiều thuận bằng nghịch đảo
hằng số cân bằng theo chiều nghịch.
• Ví dụ phản ứng có hằng
số cân bằng tại 1 điều kiện nào đó là:
• Thì hằng số cân bằng của phản ứng theo chiều
nghịch lại là: 2NO2(g) N2O4(g)
N2O4(g) 2NO2(g)
46.6
1
155.0
2
NO
ON
2
42 ===
P
P
Keq
46.6
42
2
ON
2
NO
==
P
P
Keq
• Hằng số cân bằng bội:
• Ví dụ phản ứng:
Thì phản ứng:
là bình phương của hằng số cân bằng ở trên.
Quy ước: Khi viết hằng số cân bằng thì viết cho
những tương tác nguyên đơn giản nhất. Tức là viết
cho các hệ số tỉ lượng tối giản.
N2O4(g) 2NO2(g)
2N2O4(g) 4NO2(g) 2
ON
4
NO
42
2
P
P
K
42
2
ON
2
NO
P
P
K
• Khi các tác chất và sản phẩm cùng pha ta có cân
bằng đồng thể.
• Nếu một hay nhiều tác chất hoặc sản phẩm ở pha
khác nhau ta có cân bằng dị thể.
• Xét phản ứng:
– Thực nghiệm cho thấy lượng CO
2
không phụ thuộc vào
lượng CaO và CaCO
3
.
CÂN BẰNG DỊ THỂ
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
• Nồng độ của chất rắn C
r
và chất lỏng tinh khiết bằng tỉ
trọng d [m/V] chia cho khối lượng mol m
M
[m/mol].
C
r
= d/m
M
, [m/V]/[m/mol] = [mol/V]
• Cả d và mM đều không đổi Nồng độ chất rắn và
lỏng tinh khiết là hằng số.
• Với phản ứng phân huỷ CaCO
3
:
• K
eq
/const bây giờ đặt bằng K, vậy K
C
= [CO
2
] hay
dùng liên hệ K
C
và K
P
, ta có K
P
= P[CO
2
].
]CO[constant]CO[
]CaCO[
CaO][
22
3
«=«=eqK
CÁC VÍ DỤ TÍNH K
• Ơû 472 o, hỗn hợp tại cân bằng của phản ứng 
dưới đây có 0.1207 M H
2
, 0.0402 M N
2
, và 
0.00272 M NH
3. 
Tính hằng số cân bằng K
C
và K
P
. 
N
2
(g) + 3H
2
(g) 2NH
3
(g)
Ta có K
C
= [NH
3
]
2
/([N
2
].[H
2
]
3
) 
Ở đây các khí nằm trong cùng một bình phản ứng 
nên tỉ lệ nồng độ cũng là tỉ lệ số mol.
Dùng liên hệ K
P
= K
C
(RT)
n
để tính K
P
.
Bài 1: Khí HI được cho vào bình kín ở 425
o
C, phản ứng phân huỷ
xảy ra như sau:
2HI (k) H
2
(k) + I
2
(k).
a/ Lúc cân bằng, ta có [HI] = 3.35*10
-3
M; [H
2
] = 4.79*10
-4
M;
[I
2
] = 4.79*10
-4
M. Tính K
C
và K
P
ở nhiệt độ này.
b/ Tính nồng độ ban đầu của HI.
Bài 2: Một hỗn hợp 0.1 mol NO, 0.05 mol H
2
, và 0.05 mol hơi H
2
O
được cho vào bình 1 lit. Cân bằng sau đấy được thiết lập:
2NO(g) + 2H
2
(g) N
2
(g) + 2H
2
O(k)
• Tính K, biết lúc cân bằng có 0.05 mol NO trong hỗn hợp.
Bài 3:Một hỗn hợp 5.10-3 mol H
2
và 1.10-2 mol I
2
được 
cho vào bình 5 lít ở 448 oC và để đạt đến cân bằng. 
Lúc đó nồng độ HI là 1.87 x 10-3 M. Tính K ở 448 oC 
cho phản ứng
H
2
(g) + I
2
(g) 2HI(g)
Bài 4: Một lượng vừa đủ NH
3
hòa tan vào 5 lit nước ở 25
o
C để có thể tạo thành dung dịch 0.0124 M. Dung dịch
sau đấy để đạt đến cân bằng. Trong dung dịch lúc này
có nồng độ OH
-
là 4.64 x 10
-4
M. Tính K của phản ứng
sau ở 25
o
C.
• NH
3
(k) + H
2
O(l) NH
4
+
(dd) + OH
-
(dd)
Liên hệ K và G
• Biểu thức này chỉ sử dụng chính xác đối với 
K
P
, còn K
C
chỉ đúng khi n = 0 hoặc phản 
ứng trong dung dịch.
• Ta có:
PP
KlgRT.KlnRTSTHG 3032
000
00
0000
STHKlnRT
STHGvà,KlnRTG
• Với K
1
và K
2
ứng với T
1
và T
2
, ta có:
• Từ đây sẽ tính được K
T
nếu biết K ở một 
nhiệt độ biết trước.
R
S
RT
H
Kln
00
12
0
1
2
2
0
1
0
21
11
5764 TT.
H
K
K
lg
RT
H
RT
H
KlnKln
CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG 
NGUYÊN LÝ LE CHATELIER
• Nguyên lý Le Chatelier
– “Khi tác dụng từ ngoài vào
hệ cân bằng bằng cách
thay đổi một điều kiện nào
đó ảnh hưởng đến vị trí
cân bằng, thì vị trí cân
bằng của hệ sẽ dịch
chuyển về phía làm giảm
hiệu quả tác dụng đó.”
1850 - 1936
Ảnh hưởng của nồng độ
• Ví dụ: Xét phản ứng
H
2
(k) + I
2
(k) 2HI (k)
Khi cân bằng a b c (mol/l)
Ta có k
T
.ab = k
N
.c
2
(V
T
= V
N
)
Giả sử tăng nồng độ H
2
lên 2 lần 2a, bây giờ tốc độ phản
ứng thuận là
V’
T
= k
T
.2ab > V
T
V’
T
>V
N
• Chiều thuận là chiều chuyển dịch của phản ứng làm giảm
H
2
thêm vào (chống lại sự thay đổi nồng độ).
• Kết luận:Vậy khi tăng nồng độ một chất khi hệ đạt cân
bằng, hệ sẽ dịch chuyển theo chiều làm giảm nồng độ
chất đó (và thiết lập cân bằng mới).
Ảnh hưởng của áp suất
• Đối với hệ phản ứng có chất khí và điều kiện n (k)
0.
Xét hệ N
2
(k) + 3H
2
(k) 2NH
3
(k)
Khi cân bằng a b c (atm)
k
T
ab
3
= k
N
c
2
, ở t = const.
Giả sử ta nén hệ để tăng áp suất tổng lên 2 lần,
tức là áp suất riêng phần các khí tăng lên 2
lần.
Ta có:
V’
N
= k
N
(2c)
2
= 4k
N
c
2
= 4V
N
.
V’
T
= kT(2a)(2b)
3
= 16k
N
ab
3
= 16V
T
. Mà V
T
=V
N
V’
T
> V’
N
, hay phản ứng dịch chuyển theo chiều
thuận.
Kết luận: Cân bằng chuyển dịch theo chiều
thuận, tức là chiều làm giảm số mol khí
của hệ để làm giảm suất hệ.
Ảnh hưởng của nhiệt độ
• Xét một phản ứng khi đạt cân bằng, ta có:
G
0
= -RTlnK = -4.576TlgK = H
0
- T S
0
. 
Từ đó:
576.4576.4
00
1010
S
T
H
K
Phản ứng phát nhiệt H < 0.
• Từ đó nếu T tăng thì K giảm, hay cân bằng chuyển
về phía nghịch (tạo chất đầu), nhằm làm giảm nhiệt
đi.
Phản ứng thu nhiệt H > 0.
• Lúc này T tăng thì K tăng nên phản ứng chuyển
theo chiều thuận tức là chiều thu nhiệt, làm giảm
nhiệt đi.
Kết luận: Khi hệ đạt cân bằng, nếu tăng (hay giảm)
nhiệt độ của hệ thì hệ sẽ dịch chuyển theo chiều
làm giảm (hay tăng) nhiệt độ.
• Xúc tác sẽ làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản
ứng.
• Do đó xúc tác sẽ làm giảm thời gian đạt được cân
bằng.
• Xúc tác không làm ảnh hưởng đến thành phần và tỉ
lệ các cấu tử khi đạt cân bằng.
Ảnh hưởng của xúc tác