Bài giảng Hóa đại cương - Chương 3: Nhiệt động lực học của các quá trình hóa học

HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
1
CHƯƠNG 3
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA CÁC QUÁ TRÌNH 
HÓA HỌC
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
2
3.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CẦN THIẾT
• HỆ (nhiệt động): Hệ là tập hợp các vật thể xác định
trong không gian nào đó và phần còn lại xung quanh
là môi trường.
•Đối với hóa học, hệ là lượng nhất định của một hay
nhiều chất ở điều kiện nhiệt độ, nồng độ và áp suất
nào đó.
•Các loại hệ: hệ hở, hệ kín, hệ cô lập, hệ đồng thể,
hệ dị thể, pha, hệ cân bằng.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
3
-TRẠNG THÁI (nhiệt động): Trạng thái của hệ được
xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính
chất lý hóa của hệ như thể tích, khối lượng, số mol,
nhiệt độ, áp suất, thành phần, năng lượng  (thông
số trạng thái: gồm Thông số dung độ; Thông số cường
độ)
Trạng thái cân bằng: là trạng thái tương ứng với hệ
cân bằng.
-QUÁ TRÌNH (nhiệt động): Quá trình: đẳng áp, đẳng
nhiệt, đẳng tích, thuận nghịch và bất thuận nghịch.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
4
3.2. NGUYÊN LÝ I VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT
3.2.1. Nguyên lý I và nội năng, công, hiệu ứng
nhiệt:
a. Nội dung nguyên lý 1: Khi cung cấp cho hệ
1 lượng nhiệt là Q thì lượng nhiệt này được dùng để
tăng nội năng U của hệ và để thực hiện 1 công A
chống lại các lực bên ngoài tác dụng lên hệ :
Q = U + A
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
5
b. Nội năng U: 
- Năng lượng toàn phần E của hệ bao gồm động
năng của toàn hệ (E
đ
), thế năng của toàn hệ (E
t
), nội
năng (U) của hệ: E = E
đ
+ E
t
+ U
Nếu hệ không chuyển động (E
đ
= 0), tương tác
của môi trường đối với hệ nhỏ và không đổi (E
t
= 0)
thì E = U. Như vậy:
- Nội năng của hệ là năng lượng sẵn có bên
trong hệ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
6
- Nội năng là tính chất, là đại lượng năng
lượng xác định trạng thái của hệ, là thông số dung
độ (tỉ lệ với lượng chất).
- Độ biến đổi nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái 1
sang trạng thái 2:
 U = U
2
 U
1
- Nội năng có giá trị không phụ thuộc vào cách biến
đổi hệ (không phụ thuộc vào đường đi của quá trình)
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
7
c. Công A: là công chống lại các lực bên ngoài khi
hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2.
- Lực bên ngoài tác dụng lên hệ: áp suất, điện
trường, từ trường, sức căng bề mặt 
- Đối với các quá trình hóa học công A chủ
yếu là công dãn nở chống lại áp suất:
v
v
A p v 
2
1
2 1
Pdv (v ) = p v
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
8
3.2.2. Các quá trình đẳng tích, đẳng áp và nội
năng, entanpi, hiệu ứng nhiệt:
Áp dụng nguyên lý I xét các quá trình đẳng
tích, đẳng áp:
a- Quá trình đẳng tích, nội năng, nhiệt đẳng
tích:
Vì V = const dV = 0 
A = 0 Q
V
= U (Q
V
: nhiệt đẳng tích). 
Quá trình đẳng tích: nhiệt năng thu vào dùng để
tăng nội năng U của hệ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
9
b- Quá trình đẳng áp, entanpi, nhiệt đẳng áp:
Vì P = const A = P V = P (V
2
 V
1
)
 Q
P
= U + P V =(U
2
+ PV
2
) (U
1
+ PV
1
)
Đặt : U + PV = H Q
P
= H
2
 H
1
= H.
Q
P
: nhiệt đẳng áp;
H: entanpi;
 H: độ biến đổi entanpi.
Vậy: Trong quá trình đẳng áp, nhiệt năng thu vào
dùng để tăng entanpi H của hệ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
10
Entanpi là tính chất, đại lượng năng lượng
xác định trạng thái của hệ, là thông số dung độ,
không phụ thuộc vào đường đi của quá trình.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
11
c- Nội năng, entanpi và hiệu ứng nhiệt:
Lượng nhiệt mà hệ trao đổi (thu vào hay phát ra)
trong các quá trình được dùng để biến đổi nội năng
và entanpi của hệ.
Lượng nhiệt này chính là hiệu ứng nhiệt của các
quá trình.
Vậy hiệu ứng nhiệt được xác định bằng độ biến
đổi nội năng ( U), độ biến đổi entanpi ( H). 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
12
3.2.3. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học:
- Đối với quá trình phản ứng hóa học thì lượng
nhiệt trao đổi đó là hiệu ứng nhiệt của phản
ứng hóa học xác định bằng H vì các phản ứng
hóa học thường xảy ra ở áp suất không đổi.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
13
Liên hệ giữa H và U:
 Phản ứng chỉ có chất lỏng và rắn tham gia:
 H = U do V 0. 
 Phản ứng có chất khí tham gia:
 H = U + P V = U + nRT. 
Khi n = 0 H= U;
Khi n 0 H U.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
14
- Hiệu ứng nhiệt:
Là đại lượng dung độ,
Không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng,
Trong khoảng nhiệt độ không quá lớn có thể xem không
thay đổi theo nhiệt độ.
- Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn: điều kiện áp suất
riêng phần 1 atm, nhiệt độ 25
o
C và đối với 1mol chất;
ký hiệu:
 Ho298 hay H
o
.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
15
- Các đại lượng nhiệt tạo thành và nhiệt đốt
cháy:
 Nhiệt tạo thành là hiệu ứng nhiệt của phản ứng
tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ở trạng thái tự do
bền vững nhất.
Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn (ký hiệu Ho
298
) của các
đơn chất bền được quy ước bằng không.
Ví dụ: Al(r), C(graphit), Cl
2
(k)  có Ho
298
= 0.
 Nhiệt đốt cháy của một chất là hiệu ứng nhiệt của
phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó bằng oxi tạo thành
các oxit cao bền ở điều kiện phản ứng.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
16
 Nhiệt đốt cháy (chất hữu cơ) là hiệu ứng nhiệt của
phản ứng đốt cháy 1 mol chất hữu cơ bằng oxi để tạo
thành khí CO
2
, nước lỏng và 1 số sản phẩm khác.
Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn ký hiệu: Ho298
3.2.4. Phương trình nhiệt hóa học:
-Là phương trình phản ứng hóa học có ghi kèm theo
hiệu ứng nhiệt:
Dấu : phản ứng phát nhiệt (giảm entanpi), 
Dấu + : ứng thu nhiệt (tăng entanpi ). 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
17
Ký hiệu trạng thái chất phản ứng và sản phẩm:
r (rắn ), l (lỏng), k (khí), d (dung dịch), gr (graphit)  
Ví dụ:
Zn(r)+2HCl(d) = ZnCl
2
(d)+H
2
(k), Ho298 = 36,5 kcal/mol
C(gr)+H
2
O(k) = CO(k)+H
2
(k), Ho298 =+31,4 kcal/mol
- Điều kiện xảy ra phản ứng dựa trên hiệu ứng
nhiệt:
Ở nhiệt độ thường phản ứng phát nhiệt có khả năng
tự xảy ra, còn phản ứng thu nhiệt thì không.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
18
3.2.5. Các định luật nhiệt hóa học và hệ quả:
* Định luật Hess (Gees): Hiệu ứng nhiệt
của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản
chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm
cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá
trình, nghĩa là không phụ thuộc vào số, đặc
điểm của các giai đoạn trung gian.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
19
Ví dụ: phản ứng chuyển chất X thành chất Y
được thực hiện theo 3 cách :
 Qua 1 giai đoạn: X Y
 Qua 2 giai đoạn: X A Y
 Qua 3 giai đoạn: X B C Y
Theo định luật Gess ta có: 
 H = H
1
+ H
2
= H
3
+ H
4
+ H
5
. 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
20
X Y
A
B C
 H1 H2
 H
 H3
 H4
 H5
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
21
* Hệ quả:
 Hệ quả I: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng
tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm phản ứng trừ
đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu.
 Hệ quả II: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng
tổng nhiệt đốt cháy của các chất đầu trừ đi tổng
nhiệt đốt cháy của các sản phẩm phản ứng.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
22
Ví dụ : Đối với phản ứng tổng quát
aA + bB = cC + dD 
 H =  H
ttsp
  H
ttcđ
= [c H
ttC
+ d H
ttD
] [a H
ttA
+ b H
ttB
]
 H =  H
đccđ
  H
đcsp
= [a H
đcA
+ b H
đcB
] [c H
đcC
+ d H
đcD
]
3.2.6. Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học:
Cơ sở tính toán là định luật Gess, các hệ quả, nhiệt
tạo thành, nhiệt đốt cháy .
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
23
* Tính hiệu ứng nhiệt ở điều kiện chuẩn:
Trong trường hợp này sử dụng nhiệt tạo thành, nhiệt
đốt cháy tiêu chuẩn.
- Ví dụ 1: Xác định Ho298 của phản ứng
C(gr) + ½ O
2
(k) = CO(k), biết: 
C(gr) + O
2
(k) = CO
2
(k), Ho1 = -94,1 kcal
và CO(k) + ½O
2
(k) = CO
2
(k), Ho2 = -67,64 kcal
Từ sơ đồ chuyển hóa, theo định luật Gess:
o
)2(
o
298
o
)1(
HH  
kcal46,2674,671,94HH
o
)2(
o
)1(
o
298
  
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
24
o
298
 
)gr(C
)k(CO
CO2(k)
o
1
  o
2
 
- Ví dụ 2: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 
CaCO
3
(r) = CaO(r) + CO
2
(k) .
Theo hệ quả I:
kcal42,5288,594,1151,9
HHH
o
298ttCaCO
o
298ttCO
o
298ttCaO
o
298
32
 ΔΔΔΗΔ
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
25
- Ví dụ 3: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 
CH
3
COOH(l) + C
2
H
5
OH(l) = CH
3
COOC
2
H
5
(l) + H
2
O(l)
Theo hệ quả II:
kcal11,0545,9326,7208,2
ΔHΔHΔΗΔH o
298dcE
o
298dcR
o
298dcA
o
298
* Tính ở điều kiện khác chuẩn:
 Tính gần đúng:
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
26
 Tính chính xác (theo nhiệt độ): dựa trên
phương trình Kirchoff:
2
1
T
2 1 p 1 p 2 1
T
H H C dT H C (T T );
 Cp =  Cp(sp)  Cp(cđ). 
C
p
là nhiệt dung mol đẳng áp. Khi (T
2
 T
1
) không quá
lớn có thể xem Cp không phụ thuộc vào T
Ví dụ: Tính H
398
của phản ứng:
CO(k) + ½ O
2
(k) = CO
2
(k)
C
p
(cal/mol.độ) 6,97 7,0 8,88
 Ho298tt(kcal/mol) 26, 42 94,10
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
27
 Gần đúng: 
 H
398
= H0298 = 94,10 ( 26,42) 
= 67,68 kcal/mol
 Chính xác: 
 H
398
= H0298 + [(8,88 6,97 7,0/2)(398 298)] 10
 3
= 67,84 kcal/mol. 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
28
3.3. NGUYÊN LÝ II VÀ ENTROPI (S)
3.3.1. Khái niệm về entropi:
Khi hệ chuyển từ trạng thái nhiệt độ cao T
1
sang
trạng thái nhiệt độ thấp T
2
sẽ xuất hiện đại lượng
nhiệt động mới là entropi S.
 S = S
2
 S
1 
 Q/T
(= : khi quá trình thuận nghịch ; : khi quá trình bất
thuận nghịch).
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
29
-Các đặc điểm của entropi:
 Là tính chất của hệ như to, p, U, H ,
là đại lượng xác định trạng thái của hệ, là đại
lượng dung độ, không phụ thuộc vào đường đi
của quá trình.
 Bản thân S phụ thuộc mạnh vào nhiệt
độ, nhưng S lại ít phụ thuộc vào nhiệt độ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
30
Entropi tiêu chuẩn S: điều kiện 25
o
C, 1 atm,
khí lý tưởng, dung dịch nồng độ 1 đơn vị (1 mol/lit).
 Đơn vị tính entropi:
j/mol.độ hay cal/mol.độ (1 cal/mol.độ = 1 đve).
 Dựa trên entropi có thể xác định chiều xảy ra
của quá trình trong hệ cô lập:
trong hệ cô lập quá trình tự xảy ra có S 0.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
31
* Công thức Boltzmann:
Đối với 1 phân tử:
S = k lnW = (R/N) lnW;
Đối với 1 mol: S = RlnW.
k: hằng số Boltzmann;
W : xác suất trạng thái của hệ;
R: hằng số khí, R=1,987 cal/mol.độ
hay 8,31 j/mol.độ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
32
3.3.3. Tính độ biến đổi entropi của một số quá
trình:
* Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp (quá trình
chuyển pha):
Thường áp dụng cho quá trình chuyển pha:
 S = Q
P
/ T = H/ T
Ví dụ: Tính S của quá trình chuyển 1 mol nước
đá thành nước lỏng ở 0
o
C và tính S của 1 mol nước
lỏng ở nhiệt độ trên, biết nhiệt nóng chảy của nước đá
là 1436,3 cal/mol và S của nước đá ở 0
o
C là 12,4
cal/mol.độ.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
33
- Phương trình nhiệt hóa biểu diễn quá
trình nóng chảy nước đá:
H
2
O(r) H
2
O(l)
Đây là quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp nên:
 S = S
l
 S
r
= Rln(W
l
/W
r
) = Hcp/T 
= 1436,3/273 = 5,26 cal/mol.độ.
- Entropi của nước lỏng ở 0
o
C:
S
nl
= S
nd 
+ S = 12,4 + 5,26 = 17,66 cal/mol.độ. 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
34
* Quá trình giãn nở đẳng nhiệt của khí lý tưởng:
Đối với khí lý tưởng U chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên khi
T
o
= const thì U = 0 và Q = A. Từ đây:
 S = Q/T = A/T = nR ln (V
2
/V
1
) = nR ln(P
1
/P
2
)
Ví dụ : Tính S của quá trình nén đẳng nhiệt 1 mol
oxy từ P
1
= 0,001 đến P
2
= 0,01atm.
 S = 1 Rln(P
1
/P
2
) = 1,987 ln(0,001/0,01) = 4,576 đve.
* Quá trình biến đổi nhiệt độ đẳng áp:
 Tính chính xác: S = nC
p
ln(T
2
/T
1
). 
 Tính gần đúng: dùng entropi tiêu chuẩn để tính S.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
35
Ví dụ : Tính S của quá trình đốt nóng 1 mol
nước lỏng từ 0
o
C lên 25
o
C và tính S của 1 mol nước
lỏng ở nhiệt độ này, biết nhiệt nóng chảy của nước
đá là 1436,3 cal/mol, S
nước đá
ở 0
o
C là 12,4 đve.
- Tính S quá trình đốt nóng nước lỏng:
 S
đn
= 1 18 ln(298/273) = 1,58 đve. 
- Tính S nước lỏng ở 25
o
C:
S
0
298
= S
0
273
+ S
nc
+ S
đn
= 12,4 +(1436,3/273)+1,58 = 19,24 đve.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
36
* Quá trình phản ứng hóa học:
 Định tính: dựa vào sự biến đổi thể tích phản ứng:
( V > 0 S > 0; V < 0 S < 0 ; V = 0 S = 0).
Ví dụ: C(gr) + CO
2
(k) = 2CO(k): 
 V = 2V 1V > 0 S > 0. 
N
2
(k) + 3H
2
(k) = 2NH
3
(k): 
 V = 2V 4V < 0 S < 0. 
C(gr) + O
2
(k) = CO
2
(k):
 V = 1V 1V = 0 S = 0.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
37
 Định lượng: 
 S =  S
sp 
  S
cđ
= ( c.S
C
+ d.S
D
) ( a.S
A
+ b.S
B
) 
Ví dụ: Tính S của phản ứng sau ở 298oK và 1500oK: 
C(gr) + CO
2
(k) = 2CO(k)
S
0
298
(cal/mol.độ) 1,37 51,06 47,22
S
1500
(cal/mol.độ) 8,0 69,80 59,50
- Ở 298
o
K: S
298
= 2 47,22 (1,37+51,06) = 42,01 đve
- Ở 1500
o
K: S
1500
= 2 59.50 (8,0+69,80) = 41,20 đve
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
38
3.4. THẾ ĐẲNG ÁP VÀ CHIỀU XẢY RA CỦA
CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
3.4.1. Khái niệm về thế đẳng áp:
Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, dựa vào các
nguyên lý I và II rút ra:
G = H T.S
G gọi là thế đẳng áp đẳng nhiệt hay đơn giản thế
đẳng áp (năng lượng tự do Gibbs).
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
39
- Các đặc điểm của thế đẳng áp:
 Là tính chất của hệ như U, H , là đại lượng
năng lượng xác định trạng thái của hệ, là đại lượng
dung độ, không phụ thuộc vào đường đi của hệ .
 G và G phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ.
 Để xét chiều xảy ra của quá trình dựa vào
 G. Trong quá trình đẳng nhiệt đẳng áp:
 G = H T. S (t, p = const).
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
40
 Thế đẳng áp tiêu chuẩn: Go298 hay G
o
.
Nồng độ hoặc áp suất riêng phần của mỗi chất
bằng 1 đơn vị (1 mol / lit hoặc 1 atm), khí lý tưởng, chất
rắn và lỏng phải ở dạng đa hình bền.
 Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn: (chất tinh
khiết)
 Go
tt
của một chất (tinh khiết) là G của pư tạo
thành 1 mol chất từ các đơn chất tự do bền vững ở áp
suất 1 atm, nhiệt độ 298
o
K và được ký hiệu Go298tt. G
o
của các đơn chất bền quy ước bằng 0.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
41
3.4.2. Độ biến đổi thế đẳng áp và điều kiện xảy ra
của các quá trình hóa học:
là công có ích cực đại hệ thực
hiện được trong quá trình thuận nghịch.
GA
'
max
- Từ đây suy ra:
 Quá trình (tự) xảy ra khi , khi G < 0
 Quá trình không xảy ra khi , khi G > 0
 Khi G = 0 hệ đạt trạng thái cân bằng bền vững.
 Ở nhiệt độ thấp ( 0oK): T. S 0 G = H
0A
'
max
0A
'
max
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
42
 Ở nhiệt độ cao: dấu T. S phụ thuộc vào S:
 S > 0: khi T càng cao thì -T. S càng âm, quá
trình càng có khả năng xảy ra.
 S < 0: khi T càng cao thì -T. S càng dương, quá
trình càng ít có khả năng xảy ra.
Ở điều kiện này S chiếm ưu thế nên có thể dựa
vào nó xét chiều quá trình.
 Ở nhiệt độ không cao, không thấp: dựa vào cả H,
 S để xét chiều xảy ra.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
43
3.4.3. Tính G của các phản ứng hóa học:
Phương trình G = H T. S
Khi khoảng nhiệt độ khảo sát không quá lớn, có
thể sử dụng trực tiếp , để tính G.
Ngoài ra, có: G =  Gttsp  Gttcđ.
Ví dụ : Tính Go ở 298 và 1000oK của pư:
o
298
 
o
298
S 
o
tt298
 
o
tt298
S
o
tt298
G 
C(gr) + H
2
O(k) = CO(k) + H
2
(k)
(kj/mol) 0 - 241,8 - 110,5 0
(j/mol.độ) 5,7 188,7 197,9 130,6
(kj/mol) 0 - 228,6 - 137,3 0
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
44
 Tính ở 298oK: 
= ( 110,5+241,8) 298 (197,9 +130,6 5,7 188,7) 10 3
= 91,3 kj/mol. 
= 137,3 + 228,6 = 91,3 kj/mol. 
 Tính ở 1000oK:
= 131,3 1000 134,1 10 3 = 2,8 kj/mol.
1000 298 298
1000.
o o o
G S  
298 298 298
298.
o o o
G S  
o
OttH298
o
CO298
o
298
2
GGG 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
45
3.5. CÂN BẰNG HÓA HỌC
3.5.1. Khái niệm về cân bằng hóa học:
* Khái niệm về phản ứng 1 chiều và 2 chiều:
- Phản ứng 1 chiều:
- Phản ứng 2 chiều hay phản ứng thuận-nghịch:
Phản ứng thuận-nghịch xảy ra cho đến khi đạt được
trạng thái cân bằng.
Ví dụ: Phản ứng thuận-nghịch
H
2
+ I
2
 2 HI
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
46
* Trạng thái cân bằng hóa học:
- Định nghĩa: Trạng thái cân bằng hóa học là
trạng thái của phản ứng hóa học có v
t
= v
n
và tỉ lệ
lượng chất giữa các chất phản ứng với sản phẩm
phản ứng không thay đổi ở những điều kiện bên
ngoài nhất định.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
47
- Các đặc điểm của trạng thái cbhh:
 Tốc độ pư thuận bằng tốc độ pư ứng nghịch.
 Tỉ lệ lượng chất giữa các chất tham gia pư không
thay đổi ở những điều kiện bên ngoài nhất định.
 Cân bằng hóa học là cân bằng động.
 Tương ứng độ thay đổi thế đẳng áp G = 0.
 Không thay đổi nếu những điều kiện bên ngoài
quyết định trạng thái cb không thay đổi
 Không phụ thuộc vào chiều đi đến cb nếu điều kiện
bên ngoài quyết định trạng thái cb như nhau.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
48
3.5.2. Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của 
phản ứng hóa học:
- Thiết lập biểu thức hằng số cân bằng:
Phản ứng tổng quát: aA + bB cC + dD 
Ở trạng thái cân bằng: 
v
t
= k
t
[A]
a
[B]
b
= v
n
= k
n
[C]
c
[D]
d
. 
Suy ra: 
[ ] [ ]
[ ] [ ]
c d
t
C a b
n
k C D
K
k A B
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
49
k
t
, k
n
: hằng số tốc độ phản ứng thuận và phản
ứng nghịch; [ ] : nồng độ cân bằng.
K
C
: hằng số cân bằng biểu diễn qua nồng độ.
Các chất A, B, C, D là những chất khí ta có:
c d
C D
P a b
A B
P P
K
P P
P: áp suất riêng phần lúc cân bằng của các chất 
A, B, C, D.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
50
* Lưu ý:
 Nếu tham gia vào phản ứng có cả chất
khí, lỏng và rắn thì khi viết biểu thức hằng
số cân bằng chỉ chú ý đến chất khí.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
51
Ví dụ : phản ứng aA(k)+ bB(l) = cC(r) + dD (k):
 Mối liên hệ giữa K
C
và K
P
: K
P
= K
C
.(R T)
 n
với: n = (c + d) (a + b). 
 Giá trị K phụ thuộc vào cách viết phản ứng: 
Ví dụ : 2 SO
2
(k) + O
2
(k) 2 SO
3
(k) 
SO
2
(k) + ½O
2
(k) SO
3
(k) 
P
d
D
a
A
P
K
P
2
3
2
2 2
P
SO
SO O
P
K
P P
2
/ / 2
1/ 2
3
2
( )
P P P
O
SO
SO
P
K K K
P P
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
52
 K không có đơn vị.
-Ý nghĩa của hằng số cân bằng:
 K là hằng số với T =const, K chỉ phụ thuộc nhiệt
độ, không phụ thuộc vào nồng độ và áp suất.
 K cho biết mức độ xảy ra của phản ứng về định tính
(nông, sâu) và định lượng (hiệu suất).
 Dựa vào K có thể tính toán các đại lượng liên quan
với trạng thái cân bằng: nồng độ, lượng các chất tham
gia vào cân bằng, hiệu suất phản ứng.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
53
Ví dụ : Cho phản ứng:
FeO(r) + CO(k) Fe(r) + CO
2
(k). 
1- Tính nồng độ CO, CO
2
lúc cân bằng ở 1000
o
C, biết
hằng số cân bằng K
C
= 0,5 và nồng độ ban đầu của CO là
0,06 mol/lit.
2- Sau khi cân bằng phản ứng trên được thiết lập (ở điều
kiện đã cho) thêm vào lượng CO:1 mol/lit. Tính nồng độ
CO, CO
2
lúc cân bằng mới được thiết lập.
3- Tính hiệu suất tổng cộng của phản ứng.
Giải: Hằng số cân bằng 2[ ] 0,5
[ ]
C
CO
K
CO
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
54
1- Gọi x là nồng độ CO
2
lúc cân bằng thì nồng độ các chất
lúc cân bằng sẽ là: [CO
2
] = x mol/lit và [CO] = (0,06 x)
mol/lit. Từ đây: 0,5 0,02 /
0,06
C
x
K x mol lit
x
Vậy:[CO] = 0,06 0,02 = 0,04 mol/l và [CO
2
] = 0,02 mol/l.
2- Vì nhiệt độ không thay đổi nên K
C
= 0,5. Gọi y là nồng
độ CO
2
tăng thêm sau khi cho thêm CO vào hệ phản ứng thì
nồng độ lúc cân bằng mới được thiết lập sẽ là: [CO
2
]’ =
(0,02 + y) mol/lit và [CO]’ = (1 + 0,04 y) mol/lit. Từ đây:
0,02
0,5 0,33 /
1,04
C
y
K y mol lit
y
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
55
Vậy: [CO]’= 1,04 0,33 = 0,71 mol/l và 
[CO
2
]’ = 0,02 + 0,33 = 0,35 mol/l 
3- Hiệu suất tổng cộng: 
3.5.3. Hằng số cân bằng và thế đẳng áp:
- Mối liên hệ giữa K và các đại lượng nhiệt động:
 Ở điều kiện chuẩn:
0,35
% 100% 33,02%
1 0,06
H x 
298 298
.
o o o
T
G T S  
= RT ln K
P
= 2,3 RT lg K
P
= 4,576 T lg K
P
. 
 Ở điều kiện bất kỳ:
ln ln ln
c d c d
o C D C D
T T Pa b a b
A B A B
p p p p
G G RT RT K RT
p p p p
o
T
G 
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
56
p: áp suất riêng phần các khí ở điều kiện bất kỳ. Lưu ý:
 Trong biểu thức G: chính xác là K
P
, còn chỉ áp dụng
được K
C
khi K
C
= K
P
(tức là khi n = 0) hoặc khi phản
ứng diễn ra trong dung dịch. Tuy nhiên cũng có thể áp
dụng cách gần đúng K
C
cho những trường hợp khác.
 Từ trên: khi biết chiều xảy ra của phản ứng cũng có thể
biết mức độ diễn ra của nó. Ví dụ :
o
tt298
 
Cho phản ứng: 2NO
2
(gr) N
2
O
4
(k)
(cal/mol) 8019 2309
S
298 
(cal/mol.độ) 57,46 72,73
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
57
1- Ở 25
o
C và áp suất riêng phần mỗi khí là 1 atm phản ứng
có xảy ra không? Nếu có thì hiệu suất là bao nhiêu?
2- Xác định chiều xảy ra của phản ứng ở các điều kiện 25
o
C
và áp suất riêng phần các khí NO
2
và N
2
O
4
tương ứng là:
a) 0,1 và 0,9 ; b) 0,28 và 0,55; c) 0,9 và 0,1 atm.
Giải :
1- Xác định chiều xảy ra của phản ứng ở điều kiện chuẩn
(điều kiện đã cho)
 Tính độ biến đổi thế đẳng áp của phản ứng ở điều kiện
chuẩn:
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
58
= (2309 2 8019) 298 (72,73 2 57,46)
= 1156 cal/mol < 0.
Vì nên phản ứng xảy ra theo chiều thuận.
 Tính hiệu suất:
o
298
G 
0G
o
298
298
1,987 298ln 1156
1156
ln 1,95 7,02
1,987 298
o
P
P P
G x K
K K
x
Đặt x là áp suất tăng thêm của N
2
O
4
thì áp suất riêng
phần lúc cân bằng của các khí sẽ là:
atm)x21(Pvàatm)x1(P
242
NOON
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
59
Từ đây:
2
2
1 2
1
7,02 28,08 27,08 6,02 0
(1 2 )
0,62; 0,34.
P
x
K x x
x
x x
2 4 2
1 0,34 1,34; (1 2 0,34) 0,32
2 0,68
% 100 100 68%
1 1
N O NO
P P x atm
x
và H x x
2- Xác định chiều xảy ra của phản ứng ở điều kiện đã cho:
2 4 2 4
2 2
2 2
) ln ln (ln ln )
N O N O
P P
NO NO
p p
a G RT K RT RT K
p p
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
60
 G = 1,987 298{ln[0,9/(0,1)2] ln7,02} = 1509 cal > 0:
Xảy ra theo chiều nghịch.
b) G =1,987 298 {ln [0,55/(0,28)2] ln 7,02} = 0 cal:
Phản ứng đạt trạng thái cân bằng.
c) G = 1,987 298 {ln[0,1/(0,9)2] ln7,02} = 2393 cal < 0:
Xảy ra theo chiều thuận.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
61
3.5.4. Sự chuyển dịch cân bằng:
- Khái niệm: Là sự biến đổi trạng thái cân bằng khi
thay đổi một trong các điều kiện bên ngoài (nồng độ,
nhiệt độ, áp suất) quyết định trạng thái cân bằng của
hệ.
- Nguyên nhân:
Do tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch
biến đổi khác nhau.
- Các yếu tố ảnh hưởng:
Nồng độ, nhiệt độ, áp suất.
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
62
Nguyên lý chuyển dịch cân bằng (Le Chatelier):
Khi thay đổi một điều kiện nào đó quyết định vị
trí cân bằng, thì vị trí cân bằng của hệ sẽ dịch
chuyển về phía làm giảm hiệu quả tác dụng đó.
* Áp dụng:
 Ảnh hưởng của nồng độ:
 Ảnh hưởng của nhiệt độ:
 Ảnh hưởng của áp suất:
HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 3
63
- Ví dụ: Đối với phản ứng : 
N
2
(k) + 3H
2
(k) 2 NH
3
(k),
Cân bằng chuyển dịch:
 Khi tăng nồng độ hyđro: theo chiều thuận. 
 Khi tăng nhiệt độ của hệ: theo chiều nghịch. 
 Khi tăng áp suất của hệ: theo chiều thuận. 
mol/kcal110
o
298
 