Bài giảng Hoá đại cương: Chương 3 - Nguyễn Văn Hòa (2022)

Bài giảng Hoá đại cương: Chương 3 cung cấp cho người học những kiến thức như: Một số khái niệm; Nguyên lý I và hiệu ứng nhiệt; Nguyên lý II và entropy; Thế đẳng áp và chiều xảy ra quá trình hóa học; Cân bằng hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Chapter 14: page 486 – 519Chapter 18: page 606 – 635

CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ

TRÌNH HÓA HỌC

Trang 2

1 Một số khái niệm

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.

Trang 3

Các loại hệ: hệ hở, hệ kín, hệ cô lập, hệ đồng thể,

hệ dị thể, pha, hệ cân bằng.

Trang 4

Trạng thái (nhiệt động): Trạng thái của hệ được xác định

bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất hóa lý của

hệ như nhiệt độ, áp suất, thành phần, năng lượng, thể tích …

những thông số này gọi là thông số trạng thái (gồm thông sốdung độ và thông số cường độ)

Trạng thái cân bằng: là trạng thái tương ứng với hệ cân

bằng

Quá trình (nhiệt động): là sự biến đổi trong hệ mà ở đó

có ít nhất 1 thông số trạng thái bị thay đổi

Quá trình: đẳng áp, đẳng nhiệt, đẳng tích, thuận nghịch vàbất thuận nghịch

Trang 5

2 Nguyên lý I và hiệu ứng nhiệt

2.1 Nguyên lý I, nội năng và công

a Nội năng của hệ (U): là năng

lượng sẵn có bên trong hệ, bao gồm:

năng lượng chuyển động tịnh tiến,

chuyển động quay và dao động của

phân tử, lực hút (đẩy) giữa các phân

tử trong hệ…

Nội năng là thông số dung độ (tỷ lệ

Trang 6

Khi hệ chuyển từ trạng

thái 1 sang trạng thái 2, độ

biến đổi nội năng của hệ:

U = U2  U1

Nội năng là một hàm

trạng thái, nghĩa là giá trị

của nó không phụ thuộc

vào cách biến đổi hệ

(không phụ thuộc vào

đường đi của quá trình).

Trang 7

b Công (w – work): Công là sự truyền năng

lượng vào hoặc ra khỏi hệ dưới dạng lực để chống lại các lực từ bên ngoài tác dụng lên hệ khi hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2.

Trang 8

Đối với quá trình hóa học, công chủ yếu là công

giãn nở chống lại áp suất bên ngoài:

v v

   2    2

c Nguyên lý I: 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 w chống lại các lực

bên ngoài tác dụng lên hệ:

Q = U + (-w) hay U = Q + w

Trang 9

2.2 Các quá trình đẳng tích, đẳng áp và nội năng, entanpy, hiệu ứng nhiệt

Áp dụng nguyên lý I ( U = Q + w), xét các quá

Trang 10

b Quá trình đẳng áp, entanpy và nhiệt đẳng áp

mà hệ trao đổi được dùng

để biến đổi entanpy.

Trang 11

2.3 Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

a Độ biến đổi nội năng, độ biến đổi entanpy và

hiệu ứng nhiệt

Lượng nhiệt mà hệ trao đổi (thu vào hay phát ra) trongquá trình hóa học được dùng để biến đổi (làm tăng hay giảm)nội năng và entanpy của hệ

Lượng nhiệt này chính là hiệu ứng nhiệt của các quátrình

Vậy, hiệu ứng nhiệt được xác định bằng độ biến đổi nộinăng U (gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng tích) và độ biến đổi

Trang 12

b Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

Đối với quá trình phản ứng hóa học thì lượng nhiệt traođổi đó là hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học được xác định bằng H vì các phản ứng hóa học thường xảy ra ở áp suất

Trang 13

Hiệu ứng nhiệt là một hàm trạng thái (đại lượng dung độ), không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng.

Trong khoảng nhiệt độ không quá lớn, có thể xem hiệu ứng nhiệt không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn: là hiệu ứng nhiệt

được xác định ở 1 atm, 25 oC và đối với 1 mol chất.

Ký hiệu  Ho298 hay  Ho.

Trang 14

c 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 (tra bảng)

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn (ký hiệu  Ho298) của các đơn chất bền được quy ước bằng 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 và bền ở điều kiện phản ứng.

Trang 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 CO2, H2O lỏng và 1 số sản phẩm khác.

Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn ký hiệu:  Ho298

d Phương trình nhiệt hóa học

Là phương trình phản ứng hóa học có ghi kèm theo hiệu ứng nhiệt.

Dấu – : phản ứng tỏa nhiệt (giảm entanpy)

Dấu + : phản ứng thu nhiệt (tăng entanpy)

Trang 17

Ví dụ:

As + 3/2Cl2  AsCl3 Ho298 = - 258,32 kJ/mol

C2H6 + 7/2O2  2CO2 + 3H2O Ho298 = - 1559,7 kJ/mol

C(gr)+H2O(k)  CO(k)+H2(k) Ho298 = +31,4 kcal/mol

2Na(r) + 2H2O(l)  2NaOH(dd) + H2(k) Ho298 = - 368.6 kJ

Điều kiện xảy ra phản ứng dựa trên hiệu ứng nhiệt:

Ở nhiệt độ thường, phản ứng tỏa nhiệt có khả

năng tự xảy ra, còn phản ứng thu nhiệt thì không.

Trang 18

2.4 Phương pháp xác định hiệu ứng nhiệt

a Định luật Hess:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bảnchất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối màkhông phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa là khôngphụ thuộc vào số và đặc điểm của các giai đoạn trung gian

Trang 19

Hệ quả: (aA + bB  cC + dD)

Hệ quả I: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng

tổng nhiệt tạo thành của sản phẩm phản ứng trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu

 H =  Htt sp   Htt cđ

= [c  HttC + d  HttD]  [a  HttA + b  HttB]

Trang 20

Hệ quả: (aA + bB  cC + dD)

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.

 H =  Hđc cđ   Hđc sp

= [a  HđcA + b  HđcB]  [c  HđcC + d  HđcD]

Trang 21

b Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học

Cơ sở để tính toán là định luật Hess, hai hệ quả và các đại lượng nhiệt tạo thành, nhiệt đốt cháy…

b.1 Tính hiệu ứng nhiệt ở điều kiện tiêu chuẩn:

Ví dụ 1: Xác định Ho298 của phản ứng:

C(gr) + ½ O2(k)  CO(k), Ho1 = ? (1)Biết:

C(gr) + O2(k)  CO2(k), Ho2 = -393,51 kJ/mol (2)

Trang 23

Ví dụ 4: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

CH 3COOH(l) + C2 H 5OH(l) = CH3 COOC 2 H 5(l) + H2O(l)

Biết nhiệt đốt cháy CH3COOH (-874,58 kJ/mol); C2H5OH 1367,58 kJ/mol); CH3COOC2H5 (-2238,36 kJ/mol)

(-Theo hệ quả II:

Ho298 = (-874,58) + (-1367,58) – (-2238,36) = -3,8 kJ/mol

Trang 24

b.2 Tính hiệu ứng nhiệt ở điều kiện khác chuẩn:

• Tính gần đúng:

Khi nhiệt độ khác nhiệt độ tiêu chuẩn không nhiều, có thể

sử dụng các giá trị hiệu ứng nhiệt ở điều kiện tiêu chuẩn để

tính toán (xem như nhiệt độ không ảnh hưởng).

Trang 25

Trang 26

3 Nguyên lý II và entropy

3.1 Khái niệm về entropy

Entropy (S) là một thước đo về mức độ lan tỏa hoặc phân tán năng lượng của hệ bằng các cách khác nhau của hệ chứa năng lượng.

Trang 27

Độ phân tán càng lớn thì entropy càng lớn:

Trang 28

Nguyên lý II của nhiệt động lực học:

Entropy của hệ tăng lên trong một quá trình tự phát và không thay đổi trong một quá trình cân bằng

S = S2  S1  Q/T(dấu >: khi quá trình bất thuận nghịch; dấu =: khi quá trìnhthuận nghịch)

Các đặc điểm của entropy:

• 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 phụthuộc vào đường đi của quá trình

Trang 29

• Bản thân S phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, nhưng S lại ít

phụ thuộc vào nhiệt độ

Entropy tiêu chuẩn (So 298):

Điều kiện 25 oC, 1 atm, khí lý tưởng hoặc dung dịch 1 M

Đơn vị tính entropy:

J/mol.K hay cal/mol.K (1 cal/mol.K = 1 đv e)

Dựa vào entropy có thể xác định chiều xảy ra của quá trình trong hệ cô lập:



Trang 30

3.2 Tính độ biến đổi entropy của một số quá trình

Nguyên lý III nhiệt động học: T ất cả tinh thể tinh khiết

Trang 31

3.2.2 Quá trình giãn nở đẳng nhiệt của khí lý tưởng

Đối với khí lý tưởng U chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên khi Tkhông đổi thì U = 0 và QT = U - w = -w Từ đây:

S = QT/T = -w/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 oxi từ

Trang 32

S = 1 Rln(P1/P2) = 1,987 ln(0,001/0,01) =  4,576 đv e.

3.2.3 Quá trình biến đổi nhiệt độ đẳng áp

• Tính chính xác: S = nCpln(T2/T1)

• Tính gần đúng: dùng entropy tiêu chuẩn để tính S

Ví dụ: Tính S của quá trình đốt nóng 1 mol nước lỏng từ

0oC lên 25oC và tính S của 1 mol nước lỏng ở nhiệt độ này.Biết nhiệt nóng chảy của nước đá là 1436,3 cal/mol, Snước đá

ở 0oC là 12,4 đv e, nhiệt dung mol đẳng áp của nước lỏng ở

25oC bằng 18 cal/mol.độ (xem Cp không thay đổi theo To)

Trang 33

Trang 35

Trang 36

4 Thế đẳng áp và chiều xảy ra của các quá trình

Trang 37

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; khôngphụ thuộc vào đường đi của hệ

• G và G phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ

• Để xét chiều xảy ra quá trình, dựa vào G Trong quá

trình đẳng nhiệt đẳng áp:

G = H  T.S (t, p = const)

Trang 38

4.2 Điều kiện xảy ra của các quá trình

• G < 0: quá trình tự xảy ra (phản ứng tự xảy ra theo

Trang 39

• Ở nhiệt độ không cao, không thấp:

H và S đều gây ảnh hưởng đến chiều xảy ra quá trình.

Trang 41

Thế đẳng áp tiêu chuẩn ( Go hay Go

298)

Các trạng thái tiêu chuẩn như sau:

• Đối với chất lỏng và chất rắn nguyên chất: áp suất 1 atm

• Đối với chất khí: áp suất riêng phần 1 atm

• Đối với các dung dịch: nồng độ 1 M

• Nhiệt độ trong mọi trường hợp: 25 °C (298 K).

Trang 42

Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn ( G 298tt)

G o 298tt của một chất là sự thay đổi thế đẳng áp của

phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ở trạng thái

tự do bền (trạng thái ổn định nhất) ở điều kiện 1 atm và

Trang 45

Trang 46

5 Cân bằng hóa học

5.1 Khái niệm về cân bằng hóa học

• Phản ứng một chiều là phản ứng xảy ra hoàn toàn

theo chiều đang xét.

• Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy theo hai

chiều ngược nhau, chúng có đặc điểm là xảy ra không đến cùng, mà chỉ xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng hóa học.

Trang 47

Trạng thái cân bằng hóa học

• Là trạng thái của phản ứng hóa học khi có vận tốc

phản ứng thuận bằng vận tốc phản ứng nghịch và

tỉ lệ lượng chất giữa các chất phản ứng với sản phẩm phản ứng là không thay đổi ở những điều kiện bên ngoài nhất định.

• Trạng thái cân bằng hóa học có các đặc điểm:

 vthuận = vnghịch.

Trang 48

 Không thay đổi theo thời gian nếu không có

điều kiện bên ngoài nào thay đổi.

 Sẽ thay đổi nếu điều kiện bên ngoài thay đổi,

nhưng khi các điều kiện ban đầu được tái lập thì trạng thái cân bằng cũng được tái lập.

 Không phụ thuộc vào cách tạo ra trạng thái cân

bằng.

 Cân bằng hóa học là cân bằng động.

 Tương ứng với độ thay đổi thế đẳng áp  G = 0.

Trang 49

5.2 Hằng số cân bằng và mức độ diễn ra của phản ứng hóa học

aA + bB ⇌ cC + dD

• Khi các chất đều ở trạng thái khí:

• Khi các chất đều ở trạng thái dd:

Với pi và [i] là áp suất riêng phần và nồng độ của chất i ở

  G G + RT ln

Trang 50

• Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng: G = 0

Với Pi và [i] là áp suất riêng phần và nồng độ của chất i ở

ở trạng thái cân bằng

• Ở t o = const thì G o = const nên:

KP: hằng số cân bằng áp suất riêng phần

Trang 51

• Lưu ý: Nếu tham gia vào phản ứng có cả chất khí, lỏng

và rắn thì biểu thức hằng số cân bằng chỉ chú ý đến chấtkhí

Ví dụ: Phản ứng: aA(k)+ bB(l) ⇌ cC(r) + dD (k)

P

d D a A

P

= P

K

• Mối liên hệ giữa Kc và Kp :

KP = KC  (R T)n

Trang 52

• Giá trị K phụ thuộc vào cách viết phản ứng

Trang 53

Ý nghĩa của hằng số cân bằng:

- K là hằng số ở nhiệt độ nhất định, K chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ, không phụ thuộc 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 trạng

thái cân bằng: nồng độ, lượng các chất tham gia vào cânbằng, hiệu suất phản ứng

Trang 54

Ví dụ: cho phản ứng FeO(r) + CO(k) ⇌ Fe(r) + CO2(k)

1 Tính nồng độ CO, CO2 lúc cân bằng ở 1000 oC, biết hằng

số cân bằng KC=0,5 và nồng độ ban đầu của CO là 0,06M

2 Sau khi cân bằng phản ứng trên được thiết lập (ở điều

kiện đã cho), thêm vào 1 mol/L CO Tính nồng độ CO,

CO2 lúc cân bằng mới được thiết lập

3 Tính hiệu suất tổng cộng của phản ứng

ĐS: 1) [CO] = 0,04 M; [CO2] = 0,02 M

2) [CO] = 0,707 M; [CO2] = 0,353 M 3) 33,3 %

Trang 55

• Mối liên hệ giữa K và các đại lượng nhiệt động:

- Ở điều kiện chuẩn:

Trang 56

• Khi biết chiều xảy ra của phản ứng cũng có thể biết mức

độ diễn ra của nó

Ví dụ 1: cho phản ứng 2NO(k) ⇌ N2O4(k)

Ho298tt (kJ/mol) 33,18 9,16

So298 (J/mol) 239,95 304,18

1 Ở 25 oC 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 đã cho ở các điều

kiện 25 oC và áp suất riêng phần của các khí NO2, N2O4tương ứng:

Trang 57

Trang 58

5.3 Sự dịch chuyển 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, ápsuất) quyết định trạng thái cân bằng của hệ

Nguyên nhân: Do tốc độ phản ứng thuận và phản ứng

nghịch biến đổi khác nhau

Nguyên lý dịch chuyển cân bằng (Le Châtelier): Khi thay

đổi một điều kiện nào đó quyết định vị trí cân bằng, thì vị trícân bằng của hệ sẽ dịch chuyển về phía làm giảm hiệu quảtác dụng đó

Trang 59

Các yếu tố ảnh hưởng:

• Nồng độ: Đối với hệ cân bằng, nếu tăng hay giảm nồng

độ của một chất thì cân bằng sẽ dịch chuyển về phía làm giảm (hay tăng) nồng độ chất đó.

• Áp suất: Đối với hệ cân bằng của các chất khí, khi tăng

áp suất của hệ thì cân bằng dịch chuyển về phía làm giảm

áp suất (phía tạo thành ít phân tử khí hơn) và ngược lại.

• Nhiệt độ: Đối với hệ cân bằng, nếu tăng nhiệt độ thì cân

bằng dịch chuyển theo chiều thu nhiệt và ngược lại.

Trang 60

Ví dụ: N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k) Ho298 = - 110 kcal/mol

Cân bằng sẽ dịch chuyển:

• Khi tăng nồng độ hydro: theo chiều thuận

• Khi tăng nhiệt độ của hệ: theo chiều nghịch

• Khi tăng áp suất của hệ: theo chiều thuận

Tiêu đề	Chương 3 - Nhiệt động lực học của các quá trình hóa học
Tác giả	Nguyễn Văn Hòa
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Hóa học
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	2,16 MB