Mục lục bài họcĐang ở d07-b1
Dynamic equilibrium, Kc, Kp and Le Chatelier's principle
What equilibrium means
At equilibrium the forward and reverse reactions continue at equal rates, so all concentrations stay constant. Equilibrium requires a closed system, and it can be approached from either direction. Equal rates does not mean equal concentrations.
Kc and Kp
$$\text{for } a\ce{A} + b\ce{B} <=> c\ce{C} + d\ce{D}:\qquad K_c=\frac{[\ce{C}]^c[\ce{D}]^d}{[\ce{A}]^a[\ce{B}]^b}$$For gases, $K_p$ uses partial pressures: the partial pressure of a gas is its mole fraction multiplied by the total pressure. Pure solids and pure liquids do not appear in either expression, because their concentration is fixed.
What changes K, and what does not
Only temperature changes the value of $K$. Changing concentration or pressure shifts the position of equilibrium but leaves $K$ untouched; a catalyst changes neither, since it speeds up both directions equally.
For an exothermic forward reaction, raising the temperature decreases $K$. Raising the pressure shifts the position towards the side with fewer moles of gas.
The industrial compromise
In the Haber process a low temperature would give a high yield but an unusably slow rate, so about $450\ ^\circ\text{C}$ is used with an iron catalyst — a compromise, not an optimum.
Cân bằng nghĩa là gì. Ở trạng thái cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn tiếp tục xảy ra với tốc độ bằng nhau, nên mọi nồng độ giữ nguyên. Cân bằng đòi hỏi hệ kín, và nó có thể đạt tới từ bất kỳ chiều nào. Chú ý: tốc độ bằng nhau không có nghĩa nồng độ bằng nhau — đây là câu bị hiểu sai nhiều nhất của chương.
Biểu thức hằng số cân bằng.
$$a\ce{A} + b\ce{B} <=> c\ce{C} + d\ce{D}:\qquad K_c=\frac{[\ce{C}]^c[\ce{D}]^d}{[\ce{A}]^a[\ce{B}]^b}$$Với chất khí, $K_p$ dùng áp suất riêng phần: áp suất riêng phần của một khí bằng phần mol của nó nhân với áp suất tổng. Chất rắn nguyên chất và chất lỏng nguyên chất không xuất hiện trong biểu thức, vì nồng độ của chúng cố định.
Thứ gì làm $K$ đổi, thứ gì không. Chỉ nhiệt độ làm giá trị $K$ đổi. Đổi nồng độ hay áp suất chỉ dịch chuyển vị trí cân bằng chứ không đụng tới $K$; chất xúc tác không đụng tới cả hai, vì nó tăng tốc cả hai chiều đúng bằng nhau và chỉ làm hệ đạt cân bằng sớm hơn.
Với phản ứng thuận toả nhiệt, tăng nhiệt độ làm $K$ giảm. Tăng áp suất đẩy vị trí cân bằng về phía có ít mol khí hơn.
Điều kiện công nghiệp là một sự thoả hiệp. Trong quá trình Haber, nhiệt độ thấp cho hiệu suất cao nhưng tốc độ chậm tới mức không dùng được, nên người ta chọn khoảng $450\ ^\circ\text{C}$ kèm xúc tác sắt. Đó là điểm dung hoà giữa hiệu suất và tốc độ, không phải điểm tối ưu của riêng đại lượng nào.
Cho $2.00$ mol $\ce{H2}$ và $2.00$ mol $\ce{I2}$ vào bình kín $1.00$ dm³ ở $700$ K. Khi cân bằng có $3.12$ mol $\ce{HI}$. Tính $K_c$ cho $\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}$.
Bước 1 — lập bảng ICE (ban đầu · biến thiên · cân bằng). Bình có thể tích đúng $1{,}00$ dm³ nên số mol và nồng độ trùng trị số.
| $\ce{H2}$ | $\ce{I2}$ | $\ce{HI}$ | |
|---|---|---|---|
| ban đầu | $2{,}00$ | $2{,}00$ | $0$ |
| biến thiên | $-1{,}56$ | $-1{,}56$ | $+3{,}12$ |
| cân bằng | $0{,}44$ | $0{,}44$ | $3{,}12$ |
Chú ý dòng biến thiên: hệ số của $\ce{HI}$ là $2$ nên tạo được $3{,}12$ mol $\ce{HI}$ chỉ tiêu tốn $3{,}12/2=1{,}56$ mol mỗi chất đầu. Đây là chỗ mất điểm chính — dùng thẳng $3{,}12$ cho cả ba cột.
Bước 2 — thay vào biểu thức.
$$K_c=\frac{[\ce{HI}]^2}{[\ce{H2}][\ce{I2}]}=\frac{(3{,}12)^2}{(0{,}44)(0{,}44)}=\frac{9{,}734}{0{,}1936}=50{,}3$$Bước 3 — đơn vị. Tử số có bậc $2$, mẫu số cũng có bậc $2$, nên đơn vị triệt tiêu hết: $K_c$ ở đây không có đơn vị. Điều này chỉ đúng khi tổng hệ số hai vế bằng nhau.
Kiểm tính hợp lý. $K_c=50{,}3$ lớn hơn $1$ khá nhiều, nên ở cân bằng sản phẩm chiếm ưu thế — khớp với bảng, nơi $3{,}12$ mol $\ce{HI}$ vượt xa $0{,}44$ mol mỗi chất đầu. Nếu bấm ra một giá trị nhỏ hơn $1$ thì chắc chắn đã lật ngược phân số.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemical Equilibria gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.