Áp suất toàn phần và áp suất riêng phần

Có câu hỏi từ một bạn:

Ngắn gọn: không dịch chuyển.

Ở $T$ và $V$ không đổi, thêm khí trơ chỉ làm tăng áp suất toàn phần, còn áp suất riêng phần của các chất tham giavà sản phẩm vẫn bằng $p_i=\dfrac{n_iRT}{V}$ (vì $n_i,\,T,\,V$ không đổi). Do đó $Q=K_p$ giữ nguyên ⇒ cân bằng không đổi.

Nói đơn giản hơn thì số mol các chất phản ứng và thể tích hệ không đổi, nên nồng độ không đổi, vì thế không dịch chuyển cân bằng hóa học.

Ví dụ sau có thể tính theo nồng độ như vừa nêu trên, song ở đây sẽ tính theo áp suất khí riêng phần (không học ở trường phổ thông) để cô thầy và các bạn nào quan tâm xem thêm cho biết.

Ví dụ tính cụ thể theo áp suất khí riêng phần

Xét phản ứng phân ly:

$$\mathrm{N_2O_4(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NO_2(g)}$$

Giả sử ở $T=298\,\mathrm{K}$, $V=10.0\,\mathrm{L}$  và hệ đã đạt cân bằng với:

• $n_{\mathrm{N_2O_4}}=0.50\,\mathrm{mol}$

• $n_{\mathrm{NO_2}}=1.00\,\mathrm{mol}$

Hằng số khí: $R=0.08206\,\mathrm{L\,atm\,mol^{-1}\,K^{-1}}$ ⇒ $\dfrac{RT}{V}=2.445\,\mathrm{atm\,mol^{-1}}$.

Áp suất riêng phần tại cân bằng ban đầu

• $p_{\mathrm{N_2O_4}}=\dfrac{nRT}{V}=0.50\times2.445=1.223\,\mathrm{atm}$

• $p_{\mathrm{NO_2}}=1.00\times2.445=2.445\,\mathrm{atm}$

Áp suất toàn phần:
$P_1=(n_{\text{tổng}})RT/V=(0.50+1.00)\times2.445=3.668\,\mathrm{atm}$.

Thêm khí trơ để áp suất gấp đôi

Muốn $P_2=2P_1$ ở cùng $T,V$, cần tăng số mol tổng thêm $\Delta n=n_{\text{tổng}}$ (tức là thêm 1,50 mol He):

$(n_{\text{tổng}}+\Delta n)\dfrac{RT}{V}=2P_1\Rightarrow \Delta n=n_{\text{tổng}}$.

Sau khi thêm He

• $n_{\mathrm{N_2O_4}}, n_{\mathrm{NO_2}}$ không đổi ⇒
  $p_{\mathrm{N_2O_4}}=1.223\,\mathrm{atm}$, $p_{\mathrm{NO_2}}=2.445\,\mathrm{atm}$ (không đổi).

• $P_2=7.336\,\mathrm{atm}$ (gấp đôi như yêu cầu).

Kiểm tra $Q$

$$Q=\frac{(p_{\mathrm{NO_2}})^2}{p_{\mathrm{N_2O_4}}} =\frac{(2.445)^2}{1.223}=4.891$$

Trước và sau khi thêm He, $Q$ không đổi ⇒ vẫn bằng $K_p$ ở nhiệt độ này ⇒ không có sự dịch chuyển cân bằng.

---

Lưu ý thêm (để đối chiếu):

• Thể tích cố định + thêm khí trơ ⇒ không dịch chuyển (như trên).

• Áp suất cố định + thêm khí trơ (hệ tự giãn nở) ⇒ cân bằng dịch như khi giảm áp suất: nếu $\Delta \nu>0$ (tăng số mol khí) cân bằng dịch theo chiều thuận; nếu $\Delta \nu<0$ dịch theo chiều nghịch.