JV. CÂN BANG HÓA HỌC
1. ĐỊNH LUẬT CÂN BẰNG HÓA HỌC
1.1. TRẠNG THÁI CÂN BẲNG HÓA HỌC
• Đa số các phàn ứng xảy ra không hoàn toàn.
Một cách cụ th ể ta xét phản ứng:
1
H2ik> + I2(k> ^ 2HI ík>
1
xảy ra ớ áp suất p° = 1 atm và ở nhiệt độ T — 1000 K.
Ta giả thiết, ỉúc đấu có 1 mol H-> và 1 mol I 7.
Nêu phản ứng xảy ra hoàn toàn (hiệu suất 100%) thì cuối cùng ta thu được 2 moi HI, trong khi đó lượng H , và I7 cũng được tiêu thụ hoàn toàn.
Tuy nhiên, trên thực tế ở các điểu kiện no'i trên chỉ có 0,735 mol H7 tác dụng vời 0,735 mol I7 tạo thành
2 X 0,735 = l,47m ol HI (hiệu suất 73.5%).
• Trong phản ứng này, lúc đầu hàm lượng n và TH giảm và hàm lượng H I tản g nhưng khi lượng chất HI bằng 1,47 mol thì lượng chất, này cũng như lượng chất H , và H trở nên không đổi.
Người ta nối, khí đo' hệ đã đạt trạ n g thái cân bằng.
N hư vậy, ở t r ạ n g th á i c â n b â n g h ó a h ọ c , h à m lư ợng cá c c h ấ t p h ả n ứ n g c ú n g n h ư h à m lư ợ n g c á c s ả n p h ẩ m tổn tại k h ô n g đổi.
• Nếu đi sâu vào các diễn biến vi mô thì phản ứng nàv là phản ứng hai chiểu (biểu diễn bằng 2 mũi tên ngược chiếu nhau).
Một mặt., các phân từ H i, L tương tác với nhau tạo th àn h các p h ân tử H I (phản ứng 1) n h ư n g m ặt khác, các phân tử H I được hỉnh th à n h lại phân hủy trở lại th à n h H i và Iị (phản ứng 2).
Lúc đẩu, tro n g m ột đơn vị thời gian, số p hàn tử H I được hỉnh th à n h lớn hơn sô phân tử bị p hân hủy nên hàm lượng của H I tăn g tro n g khi đó hàm lượng của H , và I -, giảm. Tuy nhiên, vì tốc độ của các phản ứng (1 và 2) tă n g cùng lượng ch ất phản ứng nên V ,
tá n g dần và V j giảm dán, đến m ột lúc nào đó ta sẽ có V , = V ị và từ đó, hàm lượng của H I cũng như của H i và L trở nên không đổi.
Khi đo' hệ đ ạt được trạ n g thái cân bằng. T rạ n g thái cân bàng này vì vậy được gọi là t r ạ n g th á i c â n b à n g đ ộn g .
1.2. NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ĐỊNH LUẬT CÂN BẴNG
• Xét p hản ứng hóa học giữa các chất khí lí tưởng:
aA + bB cC + dD Từ phương trìn h p h ản ứng trê n ta thấy khi:
a mol chất A tác d ụ n g với b mol chất B sẽ cho c mol chất c và d mol chất D.
Vì en ta n p i tự do của hệ phụ thuộc vào lượng ch ất của các cấu tử nên tro n g q u á trìn h này biến th iê n en ta n p i tự do của hệ được tín h theo hệ thức :
AG = ( c //r + d ô D) - ( ajuA + bjWg)
(Đối với hỗn hợp các khí lí tư ở ng thì hóa th ế của m ột chất i tro n g hệ bằng en tan p i tự do ụiol của chất đo': jUị = Gm(i)).
M ật khác, như ta đ ã biết, II ị - í í‘ị ’ + RT ln Pj
tro n g đó, Ị4° là hđa th ế của c h ấ t i khi áp su ấ t riêng phần của khí đo' bàng p ° = 1 atm , Pị là áp su ất riên g p h ấn của i. Từ đó ta có:
AG = (c ôầ + cRTln P(- + d /4', + dRTln P[,) - ( a / /" + aRTln P A + b,ô“ + bRTln P H.)
= (qwc + d //p ) - (a u'A + b //‘,ị)
+ RT [( ln P£. + ln Pị1)) - ( ln p?x + ln p|] )]
Gụi AG° là biến thiên entanpi tự do chuẩn của hệ nghía là khi A,B,C,D đêu 3 trạ n g thái chuẩn p l> = 1 atm , ta co':
AG° = (c/ÍQ + c ôJ*- ) - (aô‘\ + b Uq )
Từ đó ta có:
AG = AG° + R T ln c (IV. 1)
P a P b
r A ■ r B
K hi p h ản ứ n g đ ạ t trạ n g th á i câ n b ằ n g th ì AG = 0, do đó ta co':
AG° = -R T ln J °- (IV.2)
p a p b
Trong hệ thức trên PA> PB> p c> PD là áp suất riêng phẩn của các khí A, B,C,D khi hệ đạt trạ n g thái cân bằng nên được gọi là áp s u ấ t câ n bâng.
• Vì đối với một chất, / / ° ị chi phụ thuộc vào nhiệt độ (thường kí hiệu là / / ° j j ) , nên đối với m ột phản ứng cần xét tại một nhiệt độ T xác định, AG° = const. Do đó từ hệ thức IV.2 ta có:
pc pd
r c ■ r D
--- — = Kn = const
p a pb T
r A ■ r B
(IV. 3)
Kp được gọi là h ằ n g sô' c â n bàng, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
T ại m ột n h iệ t độ x á c đ ịn h , khi m ột p hản ứ ng x á c định đ ạ t tr ạ n g th á i cân b à n g th ì Kp có m ột giá trị x á c định khôn g đổi.
Đó là nội dun g của định lu ật quen thuộc tro n g ho'a hoc được gọi là đ ị n h l u ậ t t á c d ụ n g k h ố i lư ợ n g hay đ ịn h l u ậ t G u ld b e r g - W a a g e (1867).
• Ỏ đây ta cũng cần nhắc lại ràng, tro n g hệ thức IV. 3, kí hiệu PA chẳng h ạn chỉ là số đo của áp su ấ t riên g phán P A của A khi
" P A(atm ) p A(atm ) áp su ấ t này tín h ra atm : --- = — — = P ,
p ° (a tm ) 1 (atm )
Vỉ vậy P A cũng n h ư P B, P c , P D và h ằng số cân bằng Kp không có th ứ n g u y ê n .^ .
• Thay IV.3 vào IV.2 ta co':
AG° = - R T l n K p
• Thay IV.4 vào IV. 1 ta được:
(IV. 4)
H ệ H o f f
AG = R T - l n K p + l n d - r f
*A . P B
(IV.5) thức này được gọi là p h ư ơ n g t r ì n h đ ẳ n g n h i ệ t V a n ’t Xem lại p h ấn lập lu ận ở trê n ta sẽ th ấy biểu thức phân số tro n g IV.5 k hông b ằn g Kp vì các áp su ấ t P c , P D, P A, P B không phải là các áp su ấ t cân bằng, v ì vậy người ta thườ ng gọi biểu thức đó
p c p d
là t h ư ơ n g s ố p h ả n ứ n g Q = —--- - P A • P B
Đ ịnh lu ậ t tá c d ụ n g khối lượng là m ột trong các định lu ật cơ b ả n của hóa học, thư ờ ng nổi đến luôn.
H ệ thức IV.4 th ư ờ n g được sử d ụ n g tro n g việc xác định hằn g số cân b ằng Kp.
T a sẽ sử dụ n g phương trìn h V a n ’t H off để xét chiểu diễn biến của m ột p h ả n ứ n g ho'a học.
--- ;---— ... I”A(Pa)
1) NỂU áp suất tính ra Pa (hệ Sĩ) thi PA = --- --- 1.013 . K r (Pa)
ứ n g d ụ n g . Trong phản ứng H-)(k) + H(k) ^ 2HI(k) được nêu ở trên, lúc đầu co' 1 niol H7 và 1 mol I2, ở 1000 K chỉ có 0,735 mol H2 tác dụng với 0,735 mol I7 tạo ra 1,47 mol HI.
H ãy tính hằng số cân bằng Kp ở điểu kiện nói trên:
• ỏ trạ n g thái cân bằng ta có 1,47 moi HI, (1 - 0,735) = 0,265 mol H2 và 0,265 mol I2. Tổng lượng chất n = 2 mol. Gọi X là phân số moi: X| = —ni
1 n
0,265
Ta có: XjU = — — = 1,325; Xj2 = 0,1325;
1,47
X H I — 2 ~ 0,735.
Theo định luật Dalton Pj = Xj p, vì áp suất chung p = 1 atm nên ta có: P| ỊỊ = 0,735.1 = 0,735 atm,
PH, = Pj = 0,1325.1 = 0,1325 atm
Từ đó ta co': Kp = (0,73ố)2
0,1325.0,1325 = 30,7