BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
A. ĐẶT VẤN ĐỀ
I. LỜI MỞ ĐẦU:
Trong quá trình giảng dạy cho học sinh nhiệm vụ đặt ra cho giáo viên là
làm sao có thể phát triển tư duy cho học sinh, giúp học sinh có thể phát triển tư
duy một cách tốt nhất đặc biệt là trong bộ môn hóa học ( môn học nghiên cứu và
sáng tạo). Việc vận dụng các kiến thức lý thuyết vào trong các bài tập là một quá
trình rất tốt để học sinh có thể phát triển tư duy cho học sinh.
Vậy để học sinh có những kỹ năng như thế ngoài tự học, tự sáng tạo của học sinh
thì giáo viên cũng phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những
phương pháp các bài tập phù hợp với mức độ yêu cầu của các kỳ thi. Trong quá
trình giảng dạy đặc biệt là dạy đối tượng học sinh giỏi chuẩn bị cho các kỳ thi học
sinh giỏi các cấp, tôi thấy rằng có một số chuyên đề rất mới và cần phải đào sâu
kiến thức hơn thì hình như học sinh không có tài liệu và việc tự học sinh nghiên
cứu hay tự hệ thống cho mình những kiến thức như vậy là rất khó.Vì vậy thực tế
yêu cầu cần thiết người giáo viên sẽ bổ sung các kiến thức thêm cho học sinh
cũng như hệ thống các kiến thức và hệ thống các dạng bài tập cho học sinh. Với ý
định đó, trong sáng kiến kinh nghiệm (SKKN) này tôi muốn đưa ra hệ thống về lý
thuyết cũng như một số dạng bài tập thuộc chương trình ôn thi học sinh giỏi các
cấp về bài toán nhiệt hóa học- cân bằng hóa học . Dĩ nhiên phương pháp này nó là
sự kết hợp giữa lý thuyết mà học sinh tiếp thu được trong quá trình học tập ở phổ
thông.
II. THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU:
* Thực trạng :
Trong các kỳ thi, đặc biệt trong các kỳ thi quan trọng của học sinh phổ
thông đặc biệt là trong các kỳ thi học sinh giỏi cấp tỉnh trở lên . Vấn đề đặt ra là
khi gặp một bài toán ở dạng mới và hầu như không có nhiều trong chương trình
1
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
cơ bản ( Bài toán nhiệt động và cân bằng hóa học) thì học sinh sẽ gặp rất nhiều
khó khăn và thường không làm được.

* Hệ là tập hợp các đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một khu vực không gian
xác định.
* Hệ mở là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.
* Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi năng lượng mà không trao đổi chất với môi
trường ngoài.
* Hệ cô lập là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.
* Hệ đồng thể là hệ mà trong đó không có sự phân chia thành các khu vực khác
nhau với những
tính chất khác nhau. Hệ đồng thể cấu tạo bởi một pha duy nhất.
* Hệ dị thể là hệ được tạo thành bởi nhiều pha khác nhau.
2. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất của hệ:
* Các đại lượng dung độ (khuếch độ) là các đại lượng phụ thuộc vào lượng chất
như khối lượng, thể tích …Các đại lượng này có tính chất cộng.
* Các đại lượng cường độ là các đại lượng không phụ thuộc vào lượng chất như
nhiệt độ, áp suất, khối lượng riêng…
B. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng
I. Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hoá học là lượng nhiệt toả ra hay
hấp thụ trong phản ứng đó.
3
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
II. Một vài tên gọi hiệu ứng nhiệt:
1. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt), nhiệt phân huỷ:
• Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆H
o
của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng
tạo thành một mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái bền vững ở điều kiện
tiêu chuẩn.
* Chú ý: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆H
o
của đơn chất ở trạng thái bền vững ở

và làm tăng nhiệt độ của nhiệt lượng kế từ T
1
đến T
2
. Ta xác định được nhiệt
lượng toả ra Q như sau:
(1) (C: nhiệt dung của nhiệt lượng kế (J/K))
Từ đó, xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
2. Phương pháp xác định gián tiếp.
Dựa vào định luật Hess, ta có thể xác định gián tiếp hiệu ứng nhiệt của các
quá trình đã cho bằng các cách sau:
(1) Dựa vào chu trình nhiệt hoá học.
(2) Cộng đại số các quá trình.
(3) Dựa vào sinh nhiệt của các chất:
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng sinh nhiệt của các chất sản phẩm
trừ tổng sinh nhiệt của các chất tham gia (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).
(4) Dựa vào thiêu nhiệt của các chất:
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng thiêu nhiệt của các chất tham gia
trừ tổng thiêu nhiệt của các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).
(5) Dựa vào năng lượng phân ly liên kết
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng phân ly liên kết của tất
cả các liên kết trong các chất tham gia trừ tổng năng lượng phân ly liên kết của tất
cả các liên kết trong các chất sản phẩm (có nhân với hệ số tỉ lượng tương ứng).
B. Nguyên lý I nhiệt động học
5
Q = C(T
2
– T
1
)

2
- U
1
) + P(V
2
– V
1
)
Q
P
= (U
2
+ PV
2
) – (U
1
+ PV
1
)
Người ta gọi (U + PV) là entanpi, ký hiệu là H. Do đó :
Q
P
= H
2
– H
1
= ∆H
Khi áp suất không đổi, lượng nhiệt Q
P
đúng bằng biến thiên entanpi ∆H.

IV. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ. Định luật Kirchoff
(3)
trong đó:
∆H
T
i
: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở T
i
K
∆C
P
: Biến thiên nhiệt dung đẳng áp của các chất trong phản ứng.
Nếu nhiệt dung của các chất không phụ thuộc vào nhiệt độ thì ∆C
P
= Const, khi
đó:
(4)
C. Nguyên lý II nhiệt động học
7
Q
P
= Q
V
+ ∆nRT
∆H
T
2
= ∆H
T
1

* Đối với phản ứng hoá học, biến thiên entropi là:
(6)
* Chú ý: Entropi tiêu chuẩn của đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn không
phải bằng không.
II. Nội dung nguyên lý II nhiệt động học
“Trong bất cứ quá trình tự diễn biến nào, tổng biến thiên entropi của hệ và
môi trường xung quanh phải tăng”.
III. Năng lượng tự do Gibbs
* Các quá trình hoá, lý thường xảy ra trong các hệ kín, tức là có sự trao đổi
nhiệt và công với môi trường xung quanh, do đó, nếu dùng biến thiên entropi để
đánh giá chiều hướng của quá trình thì phức tạp vì phải quan tâm đến môi trường
xung quanh. Vì vậy, người ta đã kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi
của hệ để tìm điều kiện duy nhất xác định chiều diễn biến của các quá trình tự
8
∆S =
T
H∆
∆S =
∑
S
(sản phẩm) -
∑
S
(chất phản ứng)
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
phát. Năm 1875, nhà vật lý người Mỹ đưa ra đại lượng mới là năng lượng tự do
Gibbs và được định nghĩa: G = H – TS.
* Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp thì:
(7)
Trong hệ thức này, ∆G, ∆H và ∆S đều chỉ liên quan đến hệ cần xét.

(sản phẩm) -
∑
∆G
(chất phản ứng)
∆G = ∆H – T.∆S
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
(9)
* Chú ý:
• Người ta qui ước tại mọi nhiệt độ, ∆H
o
(H
+
.aq) = 0 và ∆G
o
(H
+
.aq) = 0, nghĩa
là phản ứng:
1/2H
2(k)
- 1e + H
2
O

→ H
+
(aq)
có ∆H
o
= 0 và ∆G

C
aa
aa
.
.
(10)
trong đó:
∆G
o
: Biến thiên thế dẳng nhiệt, đẳng áp của phản ứng.
a
i
: Hoạt độ cấu tử i.
- Nếu i là chất khí thì a
i
= P
i
/ P
o
(P
o
là áp suất tiêu chuẩn và bằng 1 atm)
- Nếu i là chất tan trong dung dịch thì a
i
= C
i
/ C
o
(C
o

(11) (CB chỉ các cấu tử ở trạng thái cân bằng)
10
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
Đối với một phản ứng nhất định, tại một nhiệt độ xác định, ∆G
o
là một hằng
số nên từ (11) suy ra đại lượng sau dấu ln cũng là một hằng số, đại lượng này gọi
là hằng số cân bằng nhiệt động, ký hiệu là K
a
.
K
a
=
CB
b
B
a
A
d
D
c
C
aa
aa







* Nếu Q = K
a
, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng
II. Các biểu thức tính hằng số cân bằng
1. Hằng số cân bằng theo áp suất (K
p
)
Xét phản ứng thuận nghịch xảy ra trong pha khí:
aA
(k)
+ bB
(k)
cC
(k)
+ dD
(k)
K
p
=
b
B
a
A
d
D
c
C
PP
PP
.

BA
DC
.
.
(16) ([i]: Giá trị nồng độ mol của cấu tử i ở TTCB)
* Chú ý: Đối với phản ứng xảy ra trong pha khí thì:
(17) (∆n = (c + d) – (a + b); R = 0,082)
3. Đại lượng K
x
Xét phản ứng đồng thể: aA + bB cC + dD
K
x
=
b
B
a
A
d
D
c
C
xx
xx
.
.
(18) (x
i
=
∑
n

o
⇒
lgK =
RT
F
.303,2
nE
o
12
K
P
= K
C
.(RT)
∆
n
K
P
= K
x
.(P)
∆
n
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
Ở 25
o
C (298K) thì
RT
F
.303,2

2
o
/0,059
X n
maOx
1
+ ncKh
2
mbKh
1
+ ndOx
2
K = 10
mn(E
1
o
-E
2
o
)/0,059
III. Sự phụ thuộc hằng số cân bằng vào nhiệt độ
Ta có:
∆G
o
= ∆H
o
– T.∆S
o
= - RTlnK
⇒ lnK = -

∆
+
R
S
o
∆
lnK
2
= -
2
RT
H
o
∆
+
R
S
o
∆
⇒ (21) (Công thức Van’t Hoff)
13
K = 10
nE
o
/0,059
ln
1
2
K
K

aA
(k)
+ bB
(k)
cC
(k)
+ dD
(k)
Ta có:
K
x
= K
p
(P)
-
∆
n
(P: Áp suất chung của hệ ở trạng thái cân bằng)
*
∆
n > 0:
Vì K
P
là hằng số ở nhiệt độ xác định nên khi P tăng thì K
x
giảm, suy ra cân
bằng chuyển dịch theo chiều nghịch hay là chiều có số phân tử khí ít hơn.
*
∆
n < 0:

H
o
∆
+
R
S
o
∆
∆H
o
, ∆S
o
thường ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên:
*
∆
H
o
< 0 (Phản ứng toả nhiệt):
Khi T tăng thì lnK giảm, tức là K giảm, suy ra cân bằng chuyển dịch theo
chiều nghịch, tức là chiều thu nhiệt.
*
∆
H
o
> 0 (Phản ứng thu nhiệt)
Khi T tăng thì lnK tăng, tức là K tăng, suy ra cân bằng chuyển dịch theo
chiều thuận, tức là chiều thu nhiệt.
Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt và
ngược lại.
5. Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

HCl
(k)

CS
H
0
298,
∆
= -92,2(kJ)
(b): HCl
(k)
+ aq
→←
H
+
(aq)
+ Cl
-
(aq)

CS
H
0
298,
∆
= -75,13(kJ)
(c):
2
1
H

Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng :
3Fe(NO
3
)
2(aq)
+ 4HNO
3(aq)

→←
3Fe(NO
3
)
3(aq)
+ NO
(k)
+ 2H
2
O (l)
Diễn ra trong nước ở 25
0
C. Cho biết:
Fe
2+
(aq)
Fe
3+
(aq)
NO
3
-

+ NO
(k)
+ 2H
2
O
(l)
∆
H=3.
298,
0
S
H∆
(Fe
3+
,aq
)+
298,
0
S
H∆
(NO)+2.
298,
0
S
H∆
(H
2
O
(l)
)-3.

→
2Fe
(r)
+ Al
2
O
3(r)
( 1)
Cho biết
rOFeS
H
32
,
0
∆
= -822,2 kJ/mol;
r
OAlS
H
3
2
,
0
∆
= -1676 (kJ/mol)
2) S
(r)
+
2
3

0
H∆
= -195,96 kJ
Từ kết quả thu được và khả năng diễn biến thực tế của 2 phản ứng trên có thể rút
ra kết luận gì?
Lời giải:
1)
o
pu
H
)1(
∆
=
r
OAlS
H
3
2
,
0
∆
-
rOFeS
H
32
,
0
∆
= -1676 + 822,2 = - 853,8(kJ)
2)

2
O
3(r)
+ 3CO
(k)

→
2Fe
(r)
+ 3CO
2(k)

298
0
H∆
= 28,17 (kJ)
b) C
than ch×
+ O
2(k)

→
CO
2 (k)

298
0
H∆
= -393,1(kJ)
c) Zn

U +
∆
n.RT
Do các phản ứng a), b), c) có
∆
n = 0 nên
∆
U
o
=
∆
H
o
Phản ứng d):
∆
U
o
=
∆
H
o
-
∆
n.RT = -195,96+1.8,314. 298,15. 10
-3
= -193,5 (kJ)
17
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
* Một số bài tập cân bằng hóa học:
Ví dụ 1 : Cho 1 (mol) PCl

+ Cl
2(k)
(1)
Ban đầu 1 mol 0 0
Phản ứng: x mol x mol x mol
Cân bằng 1-x mol x mol x mol
Vậy n
hh sau phản ứng
= (1-x) + x + x = 1+x (mol)
Ta có P
PCl
5
=
2.
1
1
x
x
+
−
; p
PCl
3
=
2.
1 x
x
+
và P
Cl

và Cl
2(k)
lần lượt là: 0,306 ; 0,694 và
0,694 mol
b, Tại cân bằng câu a ta có n
hh sau
= 1+ x
nên V
(bình)
=
hê
P
x 525.082,0).1( +
= 36,44 (lít)
vậy theo câu b, nếu có thêm 1 mol He thì n
hh sau
= 2+x
18
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
P
hệ
=
44,36
525.082,0).2( x+
. Tương tự chúng ta tính được P
PCl
5
; P
PCl
3

O
(Hơi)

→←
H
2(K)
+ CO
2(K)
(1)
Cho vào bình phản ứng 6 (mol) hơi H
2
O và 1 mol CO ở 460
0
C thì thấy có 95%CO
đã phản ứng.
a. Tính K
p
của cân bằng trên ở 460
0
C
b. Cho
H∆
của phản ứng ở nhiệt độ trên là – 41,0 (KJ/mol). Tìm nhiệt độ mà tại
đó có 99% CO bị phản ứng?
Lời giải:
a. CO
(K)
+ H
2
O

.
Do
n∆
=0
Thế các giá trị vào ta có : K
p
= 3,574
b. Ta có ở nhiệt độ 460
0
C có K
p1
= 3,574
Tương tự ở t
2
0
C ta có với 99% CO bị phản ứng thì : K
p2
=
01,5.01,0
99,0.99,0
= 19,56
19
ln
1
2
K
K
=
)
11

1
2
+t
.
Giải phương trình ta thu được t
2
= 585
0
C
Ví dụ 3(Đề thi casio khu vực năm 2011-2012):
Cho cân bằng : N
2(k)
+ 3H
2(k)

→←
2NH
3(k)

∆
H = -92KJ/mol
Nếu xuất phát từ hỗn hợp ban đầu là N
2
và H
2
theo đúng tỉ lệ mol là 1: 3 thì khi
đạt đến trạng thái cân bằng ở 450
0
C và 300atm, NH
3

p
=
2
3
21
3
2
.pxx
x
=
23
2
300.48,0.16,0
36,0
= 8,138.10
-5
b. Theo điều kiện cân bằng khi NH
3
chiếm 50% thể tích (hay số mol) hỗn hợp thì
: Vậy số mol của NH
3
, N
2
H
2
lần lượt là : x
3
= 0,50 ; x
1
= 0,125 và x

(k) + 3H
2
(k)
→
¬ 
2NH
3
(k) có Kp = 1,64 ×10
−
4
.
Tìm % thể tích NH
3
ở trạng thái cân bằng, giả thiết lúc đầu N
2
(k) và H
2
(k) có tỉ
lệ số mol theo đúng hệ số của phương trình
Bài tập 2:(Đề thi casio khu vực 2008):
Nitrosyl clorua là một chất rất độc, khi đun nóng sẽ phân huỷ thành nitơ monoxit
và clo.
a) Hãy viết phương trình cho phản ứng này
b) Tính Kp của phản ứng ở 298K(theo atm và theo Pa).
Nitrosyl clorua Nitơ monoxit Cl
2
∆H
0
298


2
H
4
+ H
2
O − 317
(3)
2NH
3
+ 0,5O
2
→ N
2
H
4
+ H
2
O − 143
(4)
H
2
+ 0,5 O
2
→ H
2
O − 286
21
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
S
0

O và NH
3
.
b) Viết phương trình của phản ứng cháy Hidrazin và tính ∆Ho
298
, ∆Go
298
và hằng
số cân bằng K của phản ứng này.
Bài tập 4:(Đề thi casio khu vực 2008 dự bị):
Tại 25
0
C, phản ứng:
CH
3
COOH + C
2
H
5
OH
→
¬ 
CH
3
COOC
2
H
5
+ H
2


→
¬ 
2NO
2(k)
là 4
Tính thành phần phần trăm số mol của hỗn hợp khi áp suất chung của hệ
lần lượt là 2atm và 20 atm.
Từ đó hãy rút ra kết luận về ảnh hưởng của áp suất đến sự chuyển dịch cân
bằng.
Bài tập 7: ( Đề thi casio tỉnh Quảng Ngãi năm học 2009-2010):
Xác định nhiệt hình thành của AlCl
3
. Biết:
(1)Al
2
O
3
(r) + 3COCl
2
(k) → 3CO
2
(k) + 2AlCl
3
(r),
1
H = 232,24kJ∆ −
22
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
(2)CO (k) + Cl

2
O
(l)
→CO
2(k)
+ 2NH
3(k)
. Biết ở cùng điều kiện thì:
CO
(k)
+ H
2
O
(k)
→ CO
2(k)
+ H
2
O
(k)
-41,13 KJ
CO
(k)
+ Cl
2(k)
→ COCl
2(k)
-112,5KJ
COCl
2(k)

bắt được các cách làm dạng bài tập phần này
+ Đối với các em ở lớp 12A1 sau khi nghiên cứu xong vấn đề việc các em vận
dụng vào các bài toán tương đối dễ dàng và thu được các kết quả cao khi gặp các
bài toán liên quan.
BẢNG THỐNG KÊ KẾT QUẢ KHI SO SÁNH Ở 2 LỚP NHƯ SAU:
Lớp Sĩ số % HS loại giỏi %HS loại khá %HS loại TB %HS loại yếu-kém
12A2 50 0% 9% 13% 88%
12A1 50 50% 42% 5% 3%
Qua đó ta thấy việc giáo viên đưa ra những tình huống những kiến thức mới, dạy
học sinh thông qua các chuyên đề là rất cần thiết, đặc biệt với các đối tượng học
sinh giỏi khi các em tham gia các kỳ thi học sinh giỏi.
Tài liệu tham khảo:
- Giáo trình hóa lý tập 1,2 – NXB Giáo dục năm 2000(Nguyễn Đình Huề)
- Một số đề thi casio khu vực, các tỉnh và đề thi HSG quốc gia
24
BÀI TOÁN NHIỆT HÓA HỌC VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC
C. KẾT LUẬN
I. KẾT QUẢ THU ĐƯỢC:
Sau một thời gian kiểm nghiệm trên các đối tượng học sinh đã được nghiên cứu
vấn đề cụ thể mà tôi đưa ra tôi thấy ở học sinh có sự phát triển tư duy, có khả
năng phát triển tư duy và bổ sung những kiến thức, phương pháp làm các bài toán
trong các kỳ thi hóa học. Ngoài thiết lập cho học sinh kiến thức về một vấn đề
như thế, tôi thấy còn hình thành cho học sinh rằng kiến thức hóa học rất phong
phú cần phải nghiên cứu nhiều, giúp hình thành cho học sinh những suy nghĩ cần
phải tự tìm tòi sáng tạo. Điều đó phản ánh hiệu quả của việc dạy học tích cực kết
hợp với sự tư duy sáng tạo của học sinh. Đó cũng chính là mục đích hiện thân của
báo cáo sáng kiến kinh nghiệm này.
Vấn đề đưa ra phù hợp với nhu cầu và mức độ của kỳ thi hiện nay, được áp dụng
với rất nhiều dạng toán hóa học khác nhau. Khi nghiên cứu phương pháp học sinh
được cung cấp những kiến thức quan trọng và khi vận dụng sẽ cho hiệu quả xác