Hệ thống và đề xuất bài tập dùng bồi dưỡng đội tuyển dự thi olympic sinh viên hoá học toàn quốc (phần nhiệt động hoá học động hoá học)

TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

HỒ NGỌC QUỲNH PHƢƠNG

HỆ THỐNG VÀ ĐỀ XUẤT BÀI TẬP DÙNG BỒI DƢỠNG ĐỘI TUYỂN
DỰ THI OLYMPIC SINH VIÊN HÓA HỌC TOÀN QUỐC
(PHẦN NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC – ĐỘNG HÓA HỌC)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

QUẢNG BÌNH, NĂM 2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

HỒ NGỌC QUỲNH PHƢƠNG

HỆ THỐNG VÀ ĐỀ XUẤT BÀI TẬP DÙNG BỒI DƢỠNG ĐỘI TUYỂN
DỰ THI OLYMPIC SINH VIÊN HÓA HỌC TOÀN QUỐC
(PHẦN NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC – ĐỘNG HÓA HỌC)

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: SƢ PHẠM HÓA HỌC
Hệ đào tạo: Chính quy
Khóa học: 2013 - 2017
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS NGUYỄN ĐỨC VƢỢNG

QUẢNG BÌNH, NĂM 2017


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đức Vƣợng –
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện giúp em trong
quá trình hoàn thành khóa luận của mình.
Bên cạnh đó, cho phép em đƣợc gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ
môn Hóa học, khoa Khoa học Tự nhiên, trƣờng Đại học Quảng Bình, các bạn
sinh viên lớp đại học sƣ phạm Hóa học K55 đã tạo điều kiện, động viên khích lệ
em trong thời gian vừa qua.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, nên kết quả nghiên
cứu có thể còn nhiều điều chƣa thực hiện đƣợc nhƣ mong muốn. Vì vậy, em rất
mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các bạn sinh viên để
báo cáo của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đồng Hới, tháng 5 năm 2017
Sinh viên
Hồ Ngọc Quỳnh Phƣơng


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Hệ thống và đề xuất bài
tập dùng bồi dưỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên Hóa học toàn quốc (phần
nhiệt động hóa học – động hóa học)” là kết quả nghiên cứu của riêng em dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đức Vượng và chưa được công bố trong bất kì
tài liệu nào.
Sinh viên

HỒ NGỌC QUỲNH PHƢƠNG


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................
MỤC LỤC .......................................................................................................
DANH MỤC CÁC CHƢ̃ VIẾT TẮT.................................................................
A. MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài......................................................................................... 1
2. Mục đích của đề tài...................................................................................... 2
3. Nhiê ̣m vu ̣ của đề tài..................................................................................... 2
4. Đối tƣợng nghiên cứu................................................................................... 2
5. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 2
6. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u.............................................................................. 2
7. Đóng góp của đề tài..................................................................................... 2
B. NỘI DUNG............................................................................................... 3
Chƣơng 1: HỆ THỐNG LÝ THUYẾT ......................................................... 3
1.1. Nhiệt động hóa học ................................................................................... 3
1.1.1. Nguyên lý I nhiê ̣t đô ̣ng ho ̣c ..................................................................... 3
1.1.2.Nguyên lý II nhiệt dộng học ..................................................................... 5
1.1.3.Nguyên lý III nhiệt động học .................................................................... 6
1.1.4. Thế đắng nhiệt đẳng áp ........................................................................... 7
1.1.5. Cân bằng hoá học ................................................................................... 7
1.2. Động hóa học ........................................................................................... 9
1.2.1. Tốc độ của các phản ứng hóa học............................................................. 9
1.2.2. Động học các phản ứng đơn giản ............................................................10
1.2.3. Động học các phản ứng phức tạp ...........................................................13
Chƣơng 2: HỆ THỐNG BÀI TẬP.............................................................. 16
2.1. Bài tập nhiệt động hóa học ........................................................................16

2.1.1. Tính các giá trị biến thiên ∆H, ∆S ...........................................................16


2.1.2. Tính biến thiên năng lƣợng tự do Gibbs và xác định chiều hƣớng phản ứng,
sự chuyển dịch cân bằng hóa học .....................................................................17
2.1.3. Tính các hằng số cân bằng KP, KC ............................................................20
2.2. Bài tập động hóa học ................................................................................24
2.2.1. Xác định năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng............................................24
2.2.2.Xác định bậc phản ứng ...........................................................................25
2.2.3. Xác định hằng số tốc độ k, hằng số cân bằng K của phản ứng....................27
2.2.4. Xác định tốc độ phản ứng hóa học ..........................................................30
Chƣơng 3: ĐỀ XUẤT CÁC BÀI TẬP ........................................................ 33
3.1. Đề xuất bài tập nhiệt động hóa học ............................................................33
3.2. Đề xuất bài tập động hóa học ....................................................................41
C. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 53
1. Kế t luâ ̣n .....................................................................................................53
2. Kiế n nghi ...................................................................................................53
̣
3. Hƣớng phát triể n của đề tài..........................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 55


DANH MỤC CÁC CHƢ̃ VIẾT TẮT
Viế t tắ t

Tên đầ y đủ

BT

Bài tập

CBHH

Cân bằng hóa học

TTCB

Trạng thái cân bằng

BĐ

Ban đầu

BTKL

Bảo toàn khối lƣợng

PƢ

Phản ứng

CĐ

Chất đầu

SP

Sản phẩm

PƢHH

Phản ứng hóa học

TLTK

Tài liệu tham khảo

TGPƢ

Thời gian phản ứng

HT

Hình thành

TB

Trung bình

HSKHI

Hệ số khí


A. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công tác bồi dƣỡng dội tuyển dự thi Olympic sinh viên là một công tác mũi
nhọn trong việc bồi dƣỡng nhân tài cho nhà trƣờng nói riêng, cho xã hội nói chung.
Bồi dƣỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên là một công việc khó khăn, lâu dài,
đòi hỏi nhiều công sức của thầy và trò.

Đảng đều xác định và nhấn mạnh “Giáo dục là quốc sách hàng đầu, là một
trong những động lực quan trọng tạo sự chuyển biến toàn diện trong phát triển giáo
dục và đào tạo”.
Xuất phát từ quan điểm chỉ đạo của Đảng về giáo dục – đào tạo, thực hiện chiến
lƣợt phát triển giáo dục trong giai đoạn hiện nay nhằm hoàn thành mục tiêu “Nâng
cao dân trí, đào tạo nhân lực, bồi dƣỡng nhân tài”. Bƣớc đầu mục tiêu đó đƣợc khẳng
định bởi số lƣợng sinh viên đ ạt giải quốc gia và quốc tế ngày càng tăng nhanh. Đặc
biệt kết quả tham dự các kì thi Olympic Hóa học quốc gia của đội tuyển sinh viên dự
thi của nƣớc ta trong nhiều năm gần đây đã ghi nhận nhiều thành tích tự hào và đáng
khích lệ.
Thực tế trong những năm qua, việc dạy và học ở các đội tuyển dự thi Olympic
Hóa học sinh viên ở các trƣờng đại học gặp những khó khăn và thuận lợi nhất định.
Bên cạnh những thuận lợi nhƣ cơ sở vật chất đƣợc tăng cƣờng, quy mô giáo dục
đƣợc mở rộng, ngân sách đ ầu tƣ cho giáo dục nhiều hơn thì còn một số khó khăn
nhƣ: tài liệu dùng bồi dƣỡng Olympic hóa học còn hạn chế, chƣa có một hệ thống bài
tập chuyên sâu, nội dung giảng dạy so với nội dung của đề thi Olympic Hóa học sinh
viên còn có kho ảng cách xa, không sát. Vì vậy, để bồi dƣỡng đƣợc đội tuyển dự thi
olympic Hóa học sinh viên ở các trƣờng Đại Học cấp thành phố, quốc gia đƣợc tốt
thì nhu cầu thiết yếu là phải có một hệ thống cho tất cả các chuyên đề nhƣ: cấu tạo
chất, nhiệt hóa học, điện hóa học, hóa hữu cơ... Trong đó bài t ập phần nhiệt động hóa
học và động hóa học thƣờng đƣợc ra trong các kì thi Olympic Hóa học quốc gia bởi
những ứng dụng quan trọng của nhiệt, động hóa học. Mặt khác, tài liệu bồi dƣỡng
đội tuyển Olympic Hóa học sinh viên còn thiếu, chƣa đƣợc đề cập nhiều.
Xuất phát từ thực tế đó, em quyết định lựa chọn đề tài “ Hệ thống và đề xuất bài
tập dùng bồi dưỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên Hóa học toàn quốc (phần
1


nhiệt động hóa học – động hóa học)”với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả quá
trình bồi dƣỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên Hóa học toàn quốc.

2. Mục đích của đề tài
Xây dƣ̣ng hê ̣ thố ng và đ ề xuất bài tập phầ n nhi ệt động hóa học – động hóa học
nhằm bồi dƣỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên Hóa học toàn quốc.
3. Nhiê m
̣ vu ̣ của đề tài
- Xây dựng hệ thống lý thuyết cơ bản về nhiệt động hóa học – động hóa học.
- Nghiên cƣ́u chƣơng triǹ h c huyên hóa , cấ u trúc các đề thi Olympic Hóa học sinh
viên toàn quốc.
- Xây dƣ̣ng hê ̣ thố ng bài t ập về phần nhiệt động hóa học – động hóa học.
- Đề xuất bài tập dùng bồi dƣỡng đội tuyển.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
- Hệ thống và đề xuất bài tập dùng bồi dƣỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên
Hóa học toàn quốc (phần nhiệt động hóa học – động hóa học).
5. Phạm vi nghiên cứu
- Nô ̣i dung : Phầ n nhi ệt động hóa học và động hóa học gồ m lý thuyế t và bài t ập
dùng bồi dƣỡng đội tuyển dự thi Olympic sinh viên toàn quốc.
- Thời gian : Tƣ̀ tháng 12 năm 2016 đến tháng 5 năm 2017.
6. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u
- Tổ ng hơ ̣p , phân tích, hê ̣ thố ng và khái quát hóa các nguồ n TLTK của đề tài

.

- Nghiên cƣ́u chƣơng triǹ h chuyên hó a ho ̣c .
- Sƣu tầ m câu hỏ i và bài tâ ̣p có liên quan trong các tài liê ̣u , tạp chí , các đề thi…
- Trao đổ i, học hỏi kinh nghiệm bồ i dƣỡng đô ̣i tuyể n Olympic hóa học sinh viên
với các thầ y cô tổ H óa trƣờng Đại học Quảng Bình . Tham khảo thêm kinh nghiê ̣m , các
sáng kiến kinh nghiệm của các thầy cô qua mạng internet .
7. Đó ng góp của đề tài
- Đã xây dƣ̣ng đƣơ ̣c hê ̣ thố ng kiế n thƣ́c lý thuyế t

, câu hỏi và bài tâ ̣p phầ n nhi

ệt

động hóa học và động hóa học.
- Nô ̣i dung khóa luâ ̣n là tài liê ̣u bổ ić h cho giáo viên và đô ̣i tuyể n s ự thi Olympic
sinh viên tham khảo , đây còn là tài liê ̣u tham khảo cho các sinh viên khố i nghành sƣ
phạm hóa .
2


B. NỘI DUNG
Chƣơng 1: HỆ THỐNG LÝ THUYẾT
1.1.Nhiệt động hóa học
1.1.1. Nguyên lý I nhiê ṭ đô ̣n g học[2], [5], [6], [8], [10], [12]
- Hệ nhiệt động là một phần của vũ trụ có giới hạn xác định đang đƣợc khảo sát
về phƣơng diện trao đổi năng lƣợng và vật chất, là tập hợp của một số lớn các tiểu
phân. Thế giới xung quanh hệ là môi trƣờng. Hệ có thể trao đổi năng lƣợng (nhiệt,
công) và vật chất với môi trƣờng ngoài.
- Hệ cô lập là hệ không trao đổi chất và năng lƣợng với môi trƣờng, nghĩa là khối
lƣợng và năng lƣợng của hệ không biến đổi.
- Hệ kín (hệ đóng) là hệ chỉ trao đổi năng lƣợng với môi trƣờng, nghĩa là năng
lƣợng của hệ biến đổi, còn khối lƣợng không thay đổi.
- Hệ mở (hệ hở)là hệ trao đổi cả chất và năng lƣợng với môi trƣờng. Trong
trƣờng hợp này cả khối lƣợng và năng lƣợng của hệ đều thay đổi.
- Hệ đoản nhiệt là hệ có sự trao đổi chất nhƣng không có sự trao đổi nhiệt với
môi trƣờng
- Năng lượng là “thƣớc đo” sự chuyển động của vật chất. Có nhiều hình thức trao
đổi năng lƣợng giữa hệ với môi trƣờng ngoài, trong đó có hai hình thức thƣờng gặp
nhất đó là nhiệt (A) và công (Q).

- Nguyên lí I là một trƣờng hợp của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lƣợng:
Năng lƣợng không tự nhiên sinh ra, không tự nhiên mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này
sang dạng khác theo một tỉ lệ tƣơng đƣơng nghiêm ngặt.
 Q(1) + A(1) = Q(2) + A(2) = Q(3) + A(3) = ∆U = U(Y) – U(X)(U là nội năng của hệ)

Tổng quát:

Q + A = ∆U

Với hệ cô lập: Q = 0, A = 0  ∆U = 0: ngƣời ta nói trong hệ cô lập nội năng
đƣợc bảo toàn. Nếu hệ nhận nhiệt và nhận công thì nhiệt Q và công A có giá trị dƣơng
(Q > 0, A > 0). Nếu hệ nhƣờng nhiệt và sinh công cho môi trƣờng thì nhiệt Q và công
A có giá trị âm (Q < 0, A < 0).
- Điều kiện chuẩn của phản ứng
+ Mỗi chất trong phản ứng (bao gồm chất tham gia và sản phẩm) là nguyên chất.
+ Có P = 1atm (nếu là chất khí) và CM = 1M (nếu là chất tan trong dung dịch).
3


+ Phản ứng đo ở nhiệt độ không đổi.
- Nội năng U và hàm trạng thái entanpi H
Quan hệ giữa Qp và Qv , giữa ∆H và ∆U: Qp = Qv + P.∆V; ∆H = ∆U + P.∆V
Nếu quá trình có chất khí tham gia thì sự thay đổi thể tích hệ chủ yếu do sự tăng hay
giảm số mol khí (∆n) trong quá trình, khi đó: ∆V =

n.RT
. Cho nên:
P

Qp = Qv + ∆n.RT; ∆H = ∆U + ∆n.RT

- Nhiệt phản ứng là nhiệt lƣợng đƣợc giải phóng hay hấp thụ trong PƢHH khi
nhiệt độ các chất đầu và nhiệt độ các chất sản phẩm bằng nhau.
- Nếu phản ứng đƣợc thực hiện ở cả áp suất không đổi thì nhiệt phản ứng này
đƣợc gọi là nhiệt phản ứng đẳng áp hay entanpi của phản ứng, kí hiệu ∆H.
- Nếu phản ứng đƣợc thực hiện ở thể tích không đổi (V = const) thì nhiệt phản
ứng gọi là nhiệt phản ứng đẳng tích hay biến thiên nội năng của phản ứng, kí hiệu ∆U.
Trong điều kiện đẳng áp hoặc đẳng tích như vậy nhiệt phản ứng được gọi là hiệu
ứng nhiệt của phản ứng.
- Năng lượng liên kết là năng lƣợng đƣợc giải phóng khi tạo thành 1 mol liên kết
từ các nguyên tử ở trạng thái cô lập tại điều kiện tiêu chuẩn và thƣờng ở 250 C. Năng
lƣợng liên kết đƣợc tính bằng kJ/mol và kí hiệu là Elk . Năng lƣợng liên kết có trị số
bằng năng lƣợng phá vỡ liên kết nhƣng ngƣợc dấu.
Một số khái niệm nhiệt hóa học
- Nhiệt tạo thành (nhiệt sinh) của một chấtlà nhiệt của phản ứng tạo thành 1mol
chất đó từ các đơn chất bền. Kí hiệu:∆Hos (kJ/mol).
- Nhiệt tạo thành chuẩn (Entanpi sinh chuẩn) của một chất là nhiệt của phản ứng
tạo thành 1mol chất đó từ các đơn chất bền ở áp suất 1atm và nhiệt độ 298K (25 0C). Kí
hiệu:∆Hos, 298 (kJ/mol).
Nhiệt tạo thành các đơn chất đƣợc quy ƣớc bằng 0.
Ngƣời ta đã xác định đƣợc nhiệt tạo thành của nhiều chất và lập thành bảng.
- Nhiệt phân hủy của một hợp chất là nhiệt của phản ứng phân hủy 1mol hợp chất
đó thành các đơn chất bền. Nhiệt phân hủy của hợp chất có giá trị bằng nhiệt tạo thành
của nó nhƣng ngƣợc dấu:∆Hoph = - ∆Hos .

4


- Nhiệt cháy của một chất là nhiệt của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1mol chất đó
thành các oxit cao nhất.
- Nhiệt chuyển pha là hiệu ứng nhiệt của quá trình chuyển 1mol chất từ trạng thái

(pha) này sang trạng thái (pha) khác. Ta thƣờng gặp và sử dụng các loại nhiệt bay hơi,
nhiệt thăng hoa, nhiệt ngƣng tụ, nhiệt nóng chảy, nhiệt hòa tan, nhiệt kết tinh, nhiệt
chuyển dạng thù hình.
Định luật Hess – Hê ̣ quả
- Định luật Hess: “Nhiệt của một PƢHH chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu của các
chất phản ứng và trạng thái cuối của sản phẩm phản ứng, không phụ thuộc vào các giai
đoạn trung gian, nghĩa là không phụ thuộc vào con đƣờng tiến hành phản ứng”.
→ ∆H và ∆U của phản ứng là các hàm trạng thái.
Cách tính nhiệt phản ứng:
Xét đối với phản ứng tổng quát: A + B → C + D ∆H = ?
+ Thông qua định luật Hess và các hệ quả của định luật Hess:
Hệ quả 1: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng
nghịch nhƣng ngƣợc dấu, ta có:

∆Ht =  ∆Hn

Hệ quả 2: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các sản
phẩm trừ đi tổng nhiệt sinh của các chất tham gia phản ứng.
∆H = ∑ ∆H s (sản phẩm)  ∑ ∆Hs (tham gia) = ∑ ∆Hs (C+D)  ∑ ∆Hs (A+B)
Hệ quả 3: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt cháy của các chất
tham gia trừ đi tổng nhiệt cháy của các chất tạo thành.
∆H = ∑ ∆Hc (tham gia)  ∑ ∆Hc (sản phẩm) = ∑ ∆Hc (A+B)  ∑ ∆Hc (C+D)
1.1.2. Nguyên lý II nhiệt dộng học [4], [9], [10], [12]
- Entropi (kí hiệu S) là thước đo độ mất trật tự của một chất hay một hệ. Entropi
càng lớn hệ càng mất trật tự.
Trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ, nếu có sự trao đổi nhiệt với môi
trƣờng ngoài thì cùng với sự biến thiên entropi của hệ còn có sự biến thiên entropi của
môi trƣờng ngoài. Khi hệ nhiệt động đƣợc gộp với môi trƣờng xung quanh tạo thành
một hệ cô lập thì:

∆Stổng = ∆Shệ + ∆Smtxq ≥ 0

Nếu trong hệ cô lập chỉ diễn ra quá trình thuận nghịch thì:
∆Stổng = 0 → S = const
5


- Entropi chuẩn của một chất
Giá trị entropi S của một chất xác định ở áp suất 1atm và nhiệt độ 298K (25 0C)
gọi là entropi chuẩn của chất đó và đƣợc kí hiệuS0298 (J/mol.K).
- ∆S trong một số quá trình
Quá trình thay đổi trạng tháivật lícủa một chất nguyên chất (nhiệt độ không thay
đổi), nếu quá trình xảy ra ở áp suất không đổi thì: Q = ∆H, nên: ∆S =


T

∆S của phản ứng hóa học:
Xét đối với phản ứng tổng quát: A + B → C + D ∆S = ?
∆S = ∑ S(sp)  ∑ S(tham gia) = ∑ S(C+D)  ∑ S(A+B)
∆So = ∑ So(sp)  ∑ So(tham gia) = ∑ So(C+D)  ∑ So (A+B)

Ở điều kiện chuẩn:

1.1.3. Nguyên lý III nhiệt động học [10], [16]
Entropi của một tinh thể hoàn hảo bằng không ở 0K.
Tinh thể hoàn hảo là tinh thể trong đó các phân tử chỉ có một cách sắp xếp duy
nhất ở 0K.
Nguyên lý III giúp tính entropi của một hóa chất ở nhiệt độ xác định.
- Cách tính biến đổi entropi của một hóa chất

+ Trƣờng hợp không có sự thay đổi trạng thái trong khoảng nhiệt độ (0, T)
T

Sp T =

Cp
T0

dT

(1.1)

T

+ Trƣờng hợp có sự thay đổi trạng thái trong khoảng nhiệt độ (0, T)
Tnc

Sp T =
0

dT Qnc
Cp
+
+
1 T
Tnc

T

Cp

T nc

dT
2

T

=S 1 +

Q nc
Tnc

+S2

(1.2)

Dựa vào cách tính đó, có thể tính đƣợc entropi mol c ủa hóa chất ở một nhiệt độ
xác định (nhiệt độ tại đó hóa chất chƣa bị phân hủy)
- Biến đổi của entropi theo nhiệt độ
+ Nếu To là nhiệt độ ở điều kiện chuẩn thức (298K) và nếu áp suất là 1atm, thì:
T
o

∆S T

=∆So298K +
298K

∆Cp
T

dT

(1.3)

+ Nếu ∆Cp không đổi theo nhiệt độ T trong khoảng (298K, T) thì:
6


∆So T =∆So298K +∆Cp ln

T

T

=∆So298K +2,303∆Cp lg

298
1.1.4. Thế đắng nhiệt đẳng áp [3], [12], [14]

298

(1.4)

Theo nguyên lý II, trong hệ cô lập chỉ có những quá trình nào làm tăng entropi
(∆S > 0) mới có thể tự xảy ra.
Đối với quá trình hữu hạn:

∆G = ∆H – T∆S;

∆F = ∆U – T∆S

Đối với phản ứng hóa học, khả năng tham gia vào phản ứng của các chất đƣợc
đặc trƣng bằng một khái niệm ái lực hóa học. Đo độ ái lực là ∆G ho ặc ∆F tùy theo
điều kiện diễn biến của phản ứng là đẳng nhiệt đẳng áp hay đẳng nhiệt đẳng tích. Tuy
nhiên, thế đẳng áp (entropi tự do, năng lƣợng Gibbs) đƣợc sử dụng phổ biến hơn vì
thông thƣờng các phản ứng hóa học xảy ra ở điều kiện đẳng áp.
Đối với phản ứng hóa học diễn ra ở điều kiện chuẩn thì:
G 0 (pƣ) =

 G

0
ht

(sp) –

 G

0
ht

(tgpƣ)

Trong đó: G 0ht là biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của sự hình thành hợp chất
0
từ các đơn chất. (Đối với đơn chất G ht = 0).

∆G< 0, PƢHH dễ xảy ra theo chiề u thuâ ̣n .
∆G > 0, PƢHH xảy ra theo chiề u nghich

̣ .
∆G = 0, PƢHH ở tra ̣ng thái cân bằ ng .
1.1.5. Cân bằng hoá học [3], [12]
CBHH là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ của phản ứng thuận
bằng tốc độ của phản ứng nghịch.
Tuy nhiên, đây là một cân bằng động, vì tại trạng thái cân bằng, hai phản ứng
thuận và nghịch vẫn xảy ra, nhƣng với tốc độ bằng nhau nên không nhận thấy sự biến
đổi trong hệ.
Xét phản ứng thuận nghịch:
aA

+

bB

⇌

cC

+

Tại trạng thái cân bằng, ta có:
vt = vn ↔ kt [A]a[B]b = kn [C]c [D]d
→ Hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch:

7

dD

c
d
k
 C   D 
Kc  t 
k n  A a   Bb

Trong đó:

(1.5)

- kt và kn là hằng số tốc độ phản ứng thuận và nghịch.
- KC là hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch.

Các biểu thức có liên quan và mối quan hệ giữa chúng
c

d

KP – hằng số cân bằng biểu thị theo áp suất: K  PC  PD
P Pa  P b
A B

(1.6)

n
xc  xd
Nếu tính theo nồng độ phân số mol x  i ta có: K x  C D
i n
xa  x b

i
A B

(1.7)

Ta có mối liên hệ: K  K  (RT)n  K x  Pn
P
C
Khi ∆n = 0 → KP = KC = Kx
Lưu ý: Hằng số cân bằng của phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và
bản chất phản ứng.
Các yếu tố ảnh hưởng tới cân bằng hoá học
Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơ - Satơlie: Khi phản ứng hoá học đạt trạng
thái cân bằng nếu thay đổi một trong các yếu tố nhƣ nồng độ, áp suất, nhiệt độ... thì
cân bằng chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó.
* Nồng độ
- Nếu tăng nồng độ của chất tham gia hoặc giảm của chất sản phẩm thì cân bằng
chuyển dịch theo chiều thuận.
- Nếu giảm nồng độ của chất tham gia ho ặc tăng của chất sản phẩm thì cân bằng
chuyển dịch theo chiều nghịch.
* Áp suất chất khí
- Áp suất hệ (P h): n=

hskhitg-

hskhisp

+ Nếu n>0: P h tăng cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, P h giảm cân bằng
chuyển dịch theo chiều nghịch.
+ Nếu n<0: P h tăng cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, P h giảm cân bằng

chuyển dịch theo chiều nghịch.
+ Nếu n=0: P h thay đổi không ảnh hƣởng tới cân bằng hoá học.
8


* Nhiệt độ phản ứng
Nhiệt độ ảnh hƣởng trực tiếp tới hằng số cân bằng theo biểu thức sau:
KT 2 ∆Ho T2 -T1
ln
=
KT 1 R T1 T2

(1.8)

∆Ho là nhiệt của phản ứng ở điều kiện chuẩn.
R là hằng số khí.
T2 ; T1 là nhiệt độ tiến hành phản ứng (K).
KT 1 ; K T 2là hằng số cân bằng của phản ứng ở nhiệt độ T2; T1.
1.2. Động hóa học
1.2.1. Tốc độ của các phản ứng hóa học [1], [8], [11], [12]
Tốc độ phản ứng hoá học đƣợc định nghĩa bằng biến thiên nồng độ các chất tham
gia (hay sản phẩm) trong một đơn vị thời gian. Nếu lƣợng các chất đƣợc biểu thị bằng
nồng độ thì tốc độ v của phản ứng:
A→ B
đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình:
v= -

dA
dt

=

d(B)
dt

Theo định luật kinh nghiệm của Gunbec – Vagơ, tốc độ tỉ lệ với nồng độ các chất
tác dụng, do đó đối với phản ứng tổng quát:
aA + bB + cC + ... = SP
Ta có:
v = k[A]α.[B]β.[C]γ ...
k là hằng số tốc độ phản ứng, nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Tổng α + β + γ + ... là bậc của phản ứng. Các bậc riêng phần γ, β, α không nhất
thiết phải bằng các hệ số hợp thức a, b, c của phản ứng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng
Theo quy tắc kinh nghiệm của Van Hốp thì mỗi khi nhiệt độ tăng thêm 10 độ thì
hằng số tốc độ tăng, do đó tốc độ của phản ứng tăng lên từ 2 đến 4 lần:

 =

k T+10
= 2 4
kT

9


Một cách định lƣợng, Areniut cũng đã thiết lập đƣợc sự phụ thuộc của hằng số
tốc độ k vào nhiệt độ dƣới dạng vi phân:
dlnk
dT

=

E

(1.9)

RT2

Ở đây, E là năng lƣợng hoạt hóa.
Phƣơng trình Areniut còn đƣợc viết đƣới dạng khác
E

k=A.e-RT

(1.10)

Với A là thừa số Areniut và có cùng thứ nguyên với hằng số tốc độ. Thừa số A
còn biểu thị tần số va chạm giữa các phân tử của các chất tác dụng.
Để xác định năng lƣợng hoạt hóa E, ta có thể sử dụng một trong các phƣơng
pháp sau:
a) Phƣơng pháp đồ thị:
Logarit 2 vế phƣơng trình Areniut:
lgk=lgA‒

E

(1.11)

2,303 RT

Từ đây ta thấy đồ thị của sự phụ thuộc lgk vào nghịch đảo của nhiệt độ tuyệt đối
phải là một đƣờng thẳng với hệ số góc:
tgα=‒

E
2,303R

b) Phƣơng pháp xác định hằng số tốc độ ở 2 nhiệt độ:
lg

k1
k2

=‒

Ea

1

‒

1

2,303.R T1 T2

(1.12)

1.2.2. Động học các phản ứng đơn giản [11]
Trong động hóa học, ngƣời ta còn hay dùng khái niệm thời gian nửa phản ứng kí

hiệu bằng chữ τ. Đó là thời gian cần thiết để một nửa nồng độ đầu của chất tác dụng
mất đi trong quá trình phản ứng. Đối với các phản ứng hạt nhân, thời gian nửa phản
ứng gọi là chu kì bán hủy.
- Tóm tắt các biểu thức động học của phản ứng đơn giản:

10


n

Phƣơng trình động học

Phƣơng trình động học

Thời gian

Thứ nguyên hằng

(dạng vi phân)

(dạng tích phân)

nửa phản ứng
a
2k

số tốc độ

0

dx
=k(a-x)o
dt

1

dx
=k(a-x)
dt
dx
=k(a-x)(b-x)
dt

2

3

n

x =kt

ln

a
=kt
a-x

(thg)-1 (mol/l)

0,693

k

1
a-x b
ln
=kt (a>b)
a-b
b-x a

-

1
b-x a
ln
=kt (b>a)
b-a a-x b

-

dx
=k(a-x)2
dt
dx
=k(a-x)3
dt

1 1
- =kt (a=b)
a-x a

dx
=k(a-x)n (n≠1)
dt

1
1
1
- n-1 =kt
n-1
n-1 (a-x)
a

1 1
1
- 2 =kt
2
2 (a-x) a

(thg)-1

(thg)-1 (mol/l)-1
1
ka
3
2ka2

(thg)-1 (mol/l)-2

2n-1 -1
n-1 kan-1

(thg)-1 (mol/l)-(n-1)

Để xác định bậc của phản ứng hóa học, ngƣời ta có thể áp dụng một trong các
phƣơng pháp thực nghiệm sau đây:
a) Phƣơng pháp thế
Nguyên tắc: Xác định sự biến thiên nồng độ của một chất nào đó tại các thời
điểm khác nhau, lấy các giá trị nhận đƣợc thay lần lƣợt vào các phƣơng trình hằng số
tốc độ của các phản ứng bậc không, bậc một, bậc hai, bậc ba... Phƣơng trình nào cho
giá trị k là một hằng số (không đổi) thì phản ứng có bậc ứng với bậc của phƣơng trình
đó.
Trƣờng hợp không có phƣơng trình nào thảo mãn thì phản ứng có quy luật động
học phức tạp. Khi đó phải xác định bậc phản ứng theo phƣơng pháp khác.
b) Phƣơng pháp đồ thị
Nguyên tắc: Từ các số liệu thực nghiệm, xây dựng đồ thị sự phụ thuộc của nồng
độ vào thời gian C=f(t), phƣơng trình nào cho đƣờng biểu diễn là đƣờng thẳng thì phản
ứng có bậc tƣơng ứng với phƣơng trình đó.

11


Với từng bậc phản ứng, đƣờng biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ vào thời gian có
dạng nhƣ sau:

lg(CA/CB)

1/CA

lgCA

t

(a)
1/C2A

(b)

t

(c)

t

CA

(d)

t

(e)

t

Hình (a): Phản ứng bậc một.
Hình (b): Phản ứng bậc hai (nồng độ đầu các chất bằng nhau).
Hình (c): Phản ứng bậc hai (nồng độ đầu các chất khác nhau).
Hình (d): Phản ứng bậc ba (nồng độ đầu các chất bằng nhau).
Hình (e): Phản ứng bậc không.
c) Phƣơng pháp tốc độ đầu
Tiến hành đo tốc độ đầu (tại t = 0) ở các nồng độ đầu khác nhau, giả sử ở nồng

độ đầu CA và CAo ta có:
vo =kCnAo
v'o =kCnAo

12


Suy ra:

v
v'o

=

n

C An

→n=

C A'n

lgvo -lgv'o
lgC A0 -lgC A'o

d) Phƣơng pháp thời gian nửa phản ứng
Tiến hành xác định thời gian nửa phản ứng t1/2 ở các nồng độ chất phản ứng khác
nhau.
- Nếu t1/2 không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng thì phản ứng có bậc một.
- Nếu t1/2 tỷ lệ nghịch với bậc nhất nồng độ chất phản ứng thì phản ứng có bậc hai.

- Nếu t1/2/ tỷ lệ nghịch với bậc hai nồng độ chất phản ứng thì phản ứng có bậc ba.
- Nếu t1/2 tỷ lệ thuận với nồng độ chất phản ứng thì phản ứng có bậc không.
Tổng quát khi n ≠ 1 ta có biểu thức t1/2 :
t1/2 =

2n-1 -1

const
=
n-1 .k. an-1 an-1

(1.13)

Ở nồng độ a ta cũng có:
t'1/2 =

2n-1 -1

const
=
n-1 .k. a'(n-1) a'(n-1)

(1.14)

Do đó:
t1/2
t'1/2

=

a'
a

n-1

→n=1+

lgt1/2 -lgt'1/2
lga' -lga

(1.15)

1.2.3.Động học các phản ứng phức tạp [4], [11]
Trong động học hóa học, các phản ứng phức tạp bao gồm các phản ứng thuận
nghịch, song song, nối tiếp.
a) Phản ứng bậc 1

Gọi a và b là nồng độ ở t = 0 của A và B, (a – x) và (b – x) là nồng độ của A và B
ở thời điểm t, x là độ giảm nồng độ của A từ t = 0 đến t.
v1 =
v2 =

dx1
dt
dx2
dt

=k1 a-x
=k2 b+x

Tốc độ của phản ứng thuận nghịch :

13


dx1 dx2
‒
=k1 a- x ‒k2 b+x
dt
dt
Khi đạt cân bằng (t = ∞) thì v1 = v2 , khi đó v = 0 và x = x∞. Ta có:
v=v1 ‒v2 =

v= k 1 a‒x∞ ‒k2 b+x∞
Từ đó suy ra hằng số cân bằng:
K=

k1
k2

=

b+x∞

a‒x∞
x∞
(k1 +k2 )t=ln
x∞ ‒ x

(1.16)

(1.17)

b) Phản ứng song song một chiều bậc 1

Đối với phản ứng song song dạng này, phƣơng trình động học sẽ là:
k1 +k2 =

2,303
t

lg

a
a‒x

(1.18)

Với a là nồng độ chất A ở t = 0; x là độ giảm nồng độ chất A ở tại thời điểm t.
Tƣơng tự nhƣ trên, đối với phản ứng song song một chiều bậc hai dạng:

Ta có:
k1 +k2 =

2,303
t(a‒b)

lg

b(a‒x)
a(b‒x)

(1.19)

Với a và b là nồng độ chất A và B tại t = 0.
c) Phản ứng nối tiếp:
Dạng đơn giản nhất của các loại phản ứng này đƣợc biểu thị bằng phƣơng trình:
A

`

k1

B

k2

C

t=0

a

0

0

t

a-x

x-j

j

x=a 1-e-k1t ; A =a-x=a.e-k1 t
a
j= C =
[k2 (1-e-k1t )-(1 -e-k2t )]
k1 -k2
14


y= B =x - j =

k1 a
k2 - k1

(e-k1t - e-k2t )

Khảo sát sự biến thiên nồng độ các chất đầu A, chất trung gian B và sản phẩm
cuối cùng C, ta tính đƣợc thời gian tmax để sản phẩm trung gian B đạt nồng độ cực đại
[B]max :
ln
tmax =

k1
k2

(1.20)

k1 ‒k2

[B]max =a

k2
k1

15

k2
k1 -k2

(1.21)


Chƣơng 2: HỆ THỐNG BÀI TẬP
2.1. Bài tập nhiệt động hóa học
2.1.1.Tính các giá trị biến thiên ∆H, ∆S
Bài 1: Tính nhiệt độ của ngọn lửa CO cháy trong hai trƣờng hợp sau:
1) Cháy trong oxy tinh khiết (20% oxy và 80% nitơ theo thể tích).
2) Cháy trong oxy tinh khiết.
Cho biết lƣợng oxy vừa đủ cho phản ứng, nhiệt độ lúc đầu là 25 oC.Entanpi cháy
của CO ở 25o C và 1atm là-283kJ.mol-1. Nhiệt dung mol chuẩn của các chất nhƣ sau:
Co p (CO2, k) = 30,5 + 2.10 -2 T
Co p (N2, k) = 27,2 + 4,2.10 -3T
(Olympic Hóa học sinh viên toàn quốc năm 2003 – Bảng A)
Phân tích:
T

1)

∆Ho298 +
298

(CoPCO +2 CoPN )dT=0 T=2555K
2

2

T

2)

∆Ho298 +
298

CoPCO dT=0T=4098K
2

Bài 2: Một phản ứng dùng để luyện kẽm theo phƣơng pháp khô là:
3

ZnS(r) + O2(k) → ZnO(r) + SO2(k)
2

o

1) Tính ∆H của phản ứng ở nhiệt độ 298K và 1350K, coi nhiệt dung của các
chất không phụ thuộc vào nhiệt độ ở miền nhiệt độ nghiên cứu.
2) Giả thiết ZnS nguyên chất. Lƣợng ZnS và không khí (20% O2 và 80% N2 theo

thể tích) lấy đúng tỉ lệ hợp thức bắt đầu ở 298K sẽ đạt đến nhiệt độ nào khi chỉ hấp thụ
lƣợng nhiệt tỏa ra do phản ứng ở điều kiện chuẩn tại 1350K (lƣợng nhiệt này chỉ dùng
để nâng nhiệt độ các chất đầu)Hỏi phản ứng có duy trì đƣợc không, nghĩa là không cần
cung cấp nhiệt từ bên ngoài, biết rằng phản ứng trên chỉ xảy ra ở nhiệt độ không thấp
hơn 1350K?
3) Thực tế trong quặng sfalerit ngoài ZnS còn chứa SiO2 . Vậy hàm lƣợng % của
ZnS trong quặng tối thiểu phải là bao nhiêu để phản ứng có thể tự duy trì đƣợc?
Cho biết entanpi tạo thành chuẩn của các chất ở 25 oC (kJ.mol-1):

16


Hợp chất:

ZnO(r)

∆Hof

ZnS(r)

-347,98

-202,92

SO2 (k)
-296,90

Nhiệt dung mol đ ẳng áp của các chất (J.K-1.mol-1):
Hợp chất

ZnS(r) ZnO(r) SO2(k) O2(k) N2(k) SiO2(r)

∆Cop

58,05

51,64

51,10

34,24 30,65 72,65

Biết MZn S = 97,42g.mol -1; M SiO2 = 60,10g.mol -1.
(Olympic Hóa học sinh viên toàn quốc năm 2005 – Bảng B)
Phân tích:
1) ∆H0298 = -347,98 – 296,90 + 202,92 = -441,96kJ
∆C0p = 51,64 + 51,10 – 58,05 – 3/2.34,24 = -6,67J.K-1
∆H1350 = -448976,84J
2)

3

C0p =C0p(ZnS) + C0p(O2) +6C0p(N2) =293,31J.K-1
2

T

∆H01350 +

293,31dT=0 =>T=1828,72K

298

T = 1828,72K > 1350K nên phản ứng tự duy trì đƣợc.
3) Gọi x là số mol SiO2 có trong 1 mol ZnS
3
C0p =C0p(ZnS) + C0p(O2) +6C0p(N2) +xC0p(SiO2) =293,31+ 72,65x (JK-1 )
2
1350

∆H01350 =-448976,84+

1350

293,31dT+
298

72,65xdT=0 =>x=1,84mol
298

 %ZnS = 47%.
2.1.2.Tính biến thiên năng lƣợng tự do Gibbs và xác định chiều hƣớng phản ứng,
sự chuyển dịch cân bằng hóa học
Bài 1:Khảo sát phản ứng phân hủy NO2 tạo thành NO và O2 ở 10 oC dƣới ảnh hƣởng
động học và nhiệt học.
Một cách gần đúng, nếu xem nhƣ các đ ại lƣợng nhiệt động của phản ứng trên
không phụ thuộc vào nhiệt độ. Hãy sử dụng các giá trị sau để trả lời các câu hỏi:
∆H0s

NO 2=

33,2 kJ/mol; ∆H0s

NO =

90,3 kJ/mol

S0NO2 = 241 J/mol; S0NO = 211 J/mol; S0O2 = 205 J/mol
17


Nhiệt độ nhỏ nhất cần đạt đến để cân bằng dịch chuyển về phía phải là bao
nhiêu?
(Trích Olympic Hóa học sinh viên toàn quốc năm 2010 - Bảng A)
Phân tích:
Trƣớc hết, ta tính các thông số nhiệt động cơ bản của phản ứng nhƣ sau:
∆Hopứ=2.90,3 -2 . 33,2=114,2 kJ
∆Sopứ=2. 211+205 -2 . 241=145 J/K
∆Gopứ=114,2 -283 . 0,145=73,2 kJ
Một mặt gần đúng, về mặt nhiệt động học khi phản ứng đạt đến cân bằng thì ∆Gopứ = 0
=>T=

∆Ho
∆S0

=

114,2 . 1000
145

=787,6K

Nhƣ vậy, điều kiện về nhiệt độ cần để cân bằng dịch chuyển về phía phải là: T ≥ 787,6K.
Bài 2:Hai đồng vị thƣờng đƣợc xem nhƣ có hoạt tính hoá học giống nhau: tuy nhiên,
điều này không thật chính xác. Hoạt tính khác biệt của các đồng vị khác nhau là do sự
phụ thuộc của năng lƣợng dao động không gian trong các phân tử với khối lƣợng các
hạt nhân nguyên tử cấu tạo nên phân tử đó. Ở đây, ta không cần quan tâm đến cơ chế
chi tiết mà chỉ lƣu ý rằng các hợp chất có chứa các đồng vị nhẹ (nhƣ 1 H19F) có độ bền
liên kết hơi thấp hơn các hợp chất tƣơng đƣơng nhƣng có chứa các đồng vị nặng hơn
(nhƣ 2H19 F).
“Hiệu ứng đồng vị” này thƣờng không quan trọng hoặc ít quang trọng tại nhiệt
độ phòng, nhƣng lại có ý nghĩa quyết định trong hóa học tại nhiệt độ thấp. Một trong
các môi trƣờng nghiên cứu đƣợc tiến hành rộng rãi là các đám mây dày đặc giữa các vì
sao tại nhiệt độ rất thấp (thƣờng khoảng 10K – 20K), là những đám mây lớn chứa khí
và bụi, nguồn gốc nguyên thủy của các ngôi sao. Sự chuyển hóa của deuteri trong các
đám mây lạnh giữa các vì sao xảy ra với nhiều qúa trình khác nhau, gồm cơ chế sau:
H2 + D → HD + H

(1)

HD + D → D2 + H

(2)

Các tham số nhiệt hoá học có liên quan đến phản ứng (1) là:
∆Hof (H2(k)) = 0kJ.mol-1

So(H2(k)) = 130,57J.K-1 .mol-1.

∆Hof (HD(k)) = 0,33kJ.mol -1

So(HD(k)) = 143,69J.K-1.mol-1.

∆Hof (H(k)) = 216,00kJ.mol -1

So(H(k)) = 114,60J.K-1.mol-1.
18