Bài giảng Hóa học đại cương 1

Nhiệt dung riêng của một số chất• Nhiệt dung mol của một chất là lượng nhiệt cầnthiết để đưa 1mol chất đó lên 1oC 1K Trang 7 13Nhiệt lượng trao đổiVí dụ: Tính nhiệt lượng cần cung cấp đ

• Môi trường xung quanh làmọi thứ xung quanh hệ có thểtrao đổi năng lượng với hệ

1.3 Hướng truyền nhiệt

Quá trình thu nhiệt

Ví dụ: Tính động năng của 1 quả bóng nặng 114g, chuyển động với tốc độ 105 dặm/h theo J; calog; dặm/h Bước 1 kg; m/s Bước 2 Eđ(J) Bước 3 Eđ(cal)

1cal 126J 4,184J 30cal

Nhiệt dung của chất nguyên chất

• Nhiệt dung riêngcủa một chất là lượng nhiệt cần

C (J/g.oC hoặc J/g.K)

Bảng 6.1 Nhiệt dung riêng của một số chất

• Nhiệt dung mol của một chất là lượng nhiệt cần

Chú ý 6.1!

∆T = Tcuối– Tđầu (6.2)

Nhiệt lượng trao đổi

Ví dụ: Tính nhiệt lượng cần cung cấp để làm tăng

1.6 Sự trao đổi nhiệt giữa hai vật

Khi cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc sẽxảy ra quá trình trao đổi nhiệt:

1 Nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn

2 Năng lượng bị mất ở vật nóng được thu lại ởvật lạnh hơn

3 Cuối cùng, 2 vật có nhiệt độ bằng nhau Chúngđạt trạng thái cân bằng nhiệt

Tính nhiệt trao đổi: Sử dụng nhiệt dung

• Tổng nhiệt trao đổi trong hệ = 0

Q1 + Q2+ … = 0 (6.3)

Ví dụ: Cho Fe (88,5g; 352K) vào cốc chứa 244g nước (292K).

Tính nhiệt độ trong cốc ở trạng thái cân bằng nhiệt?

( ví dụ 6.2, trang 269 )

Qnước + QFe= 0[Cnước.mnước∆Tnước] + [CFe.mFe.∆TFe]

[(4,184J/g.k)(244g).(Tcuối- 292K)]+[(0,449J/g.K)(88,5g).(Tcuối- 352K) = 0

Tcuối= 295K (22oC)

16

1.7 Năng lượng và sự biến đổi trạng thái

• Quá trình biến đổi trạng thái:

QT bay hơi; ngưng tụ; đông đặc; nóng chảy…

• Nhiệt biến đổi trạng thái: Nhiệt bay hơi; nhiệt nóng chảy,…

∆Hnchảy[H2O] = 333J/g

T = const rắn

hơi lỏng

1.7.Năng lượng và sự biến đổi trạng thái

Ví dụ: Tính nhiệt lượng cần thiết để đưa 500 g nước từ -50oC đến 200oC ?

II- Nguyên lý I của Nhiệt động học

20

2.1 Nguyên lý I của Nhiệt động học

luôn luôn là một hằng số.

sinh ra và cũng không tự mất đi mà

nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

2.2 Entanpi và biến thiên entanpi

∆H = Hcuối– Hđầu

• Dấu của ∆H được quy ước giống dấu của Q:

 Quá trình thu nhiệt: Qp> 0 ; ∆H > 0

 Quá trình tỏa nhiệt: Qp< 0 ; ∆H < 0

22

Hàm trạng thái

• Hàm trạng thái là cáchàm số mà biến thiêncủa chúng trong mộtquá trình vật lí và hoáhọc không phụ thuộcvào cách tiến hành quátrình mà chỉ phụ thuộcvào trạng thái đầu vàtrạng thái cuối

• P, V, T, U, H, S,…

2.3 Biến thiên entanpi của phản ứng

hóa học

Ví dụ: Nhiệt cháy của propan: ∆H = -2220 kJ/mol

nhiêu gam C3H8?

o o

2.4 Phép đo nhiệt lượng

• Phép đo nhiệt lượng ở P không đổi: đo ∆H

Nhiệt lượng kế cốc café:

Qpư+ Qdd = 0

Ví dụ: Sử dụng nhiệt lượng kế cốc cafe

Cho 0,5g Mg vào 1 nhiệt lượng kế cốc café, thêm 100ml dd HCl 1M Nhiệt độ dd tăng từ 22,2 o C đến 44,8 o C Tính ∆H của phản ứng trên 1 mol Mg? (Cdd= 4,2J/g.K và dddHCl= 1 mg/l)

Phép đo nhiệt lượng ở V không đổi:

Qpư+ Qnước+ Qbom= 0

Ví dụ:Đốt cháy 1 g octan trong nhiệt lượng kế (V không đổi).

Dụng cụ được đặt vào 1 bình chứa 1,2 kg nước Nhiệt độ của nước và bom tăng từ 25 o C tới 33,2 o C Cbom= 837 J/K Tính nhiệt đốt cháy trên 1 gam octan? (Ví dụ 6.7, tr.282)

Qpư+ Qnước+ Qbom= 0

30

2.5 Định luật Hess

“Nếu một phản ứng hóa học là tổng của hai haynhiều phản ứng khác, thì ∆H của phản ứng tổngđược tính bằng tổng các giá trị ∆H của tất cả cácphản ứng cộng lại”

Xác định ∆H của các phản ứng trên?

Định luật Hess:

2.6 Entanpi sinh tiêu chuẩn của một chất

Entanpi sinh tiêu chuẩn của một chất là biến thiênentanpi của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từcác nguyên tố ban đầu ở trạng thái chuẩn

• Trạng thái chuẩn(của ng.tố/chất):

3.1 Quá trình tự diễn biến

• Quá trình tự diễn biến là quá trình biến đổi xảy ra

mà không cần có tác động nào khác cho tới khi đạtcân bằng

• Ngược lại, quá trình không tự diễn biến chỉ có thểxảy ra khi được tác động bởi việc cung cấp nănglượng

độ hỗn độn cao Thời gian

KMnO4

• Entropi của một chất tăng theo nhiệt độ

• Phân tử có cấu trúc phức tạp, có S lớn hơn:

 

46

3.4 Nguyên lý II của nhiệt động học

làm tăng entropi của vũ trụ, ∆Svt> 0

∆Sh

∆Smt

∆Svt = ∆Sh+ ∆Smt

• Vũ trụ gồm: hệ và môi trường xung quanh

3.5 Năng lượng tự do Gibbs

• Năng lượng tự doGibbs (G):

G = H – TS và G = H - TS

h

- HT

3.5 Năng lượng tự do Gibbs

Dạng khác của nguyên lý II:

G < 0: phản ứng tự xảy ra

G > 0: phản ứng không tự xảy ra

G = 0: quá trình ở trạng thái cân bằng

h-T∆So

h

= -133.6 kJ

52

3.6 Năng lượng tự do và nhiệt độ

G° = H° - TS°

các trường hợp sau đây:

G > 0 ở T cao; phản ứng không tự xảy

ra ở T cao

+ + + or

-G > 0 ở T thấp; phản ứng không tự xảy ra ở T thấp

G < 0 ở T cao; phản ứng tự xảy ra ở T cao

Bài toán tìm điều kiện T để phản ứng xảy ra

19.9 Năng lượng tự do và hằng số cân bằng

G = G°

G° = -RT ln K

3, 19, 25, 29, 31, 41a, 61

tục xung quanh các phân tử bên cạnh

động qua 1 phân tử khác

trong các trạng thái của vật chất được gọi là lựchút liên phân tử

• Điều kiện tiêu chuẩn (đktc):T = 0oC; P = 1 atm

• Thực nghiệm cho biết 1 mol khí bất kỳ ở đktc có

V = 22,414 lít

• Phương trình khí lý tưởng:

Ví dụ: Ở khoảng cách 40 dặm so với mặt đất nhiệt độ không khí là 250K và áp suất chỉ là 0,2 mmHg Khối lượng riêng không khí ở độ cao này là bao nhiêu? (Giả sử không khí có M = 28,96 g/mol)

Đáp án: d = (MP/RT) = 3,72.10 -4 g/L

Trong đó: m (g); V (L); P (atm); M (g/mol); T (K);

R = 0,082 L.atm/mol.K và d (g/L)

1.4 Xác định khối lượng mol phân tử

Thực nghiệm xác định được: P, V, T, m của 1 mẫu khí

PVn

M 146 g / mol0,0286

1.5 Hỗn hợp khí và áp suất riêng phần

• Nồng độ phần molcủa khí A trong hỗn hợp:

A A

toanphan

nX

Quá trình bay hơi của nước

2.1 Entanpi bay hơi

• Entanpi bay hơilà năng lượng cần thiết để làm bay

chất và nhiệt độ

∆Hbhcủa nước: 43,98 kJ/mol (là 40,7 kJ/mol ở 100 o C)

16

2.2 Áp suất hơi bão hòa

Ngưng tụ, ∆Hngtụ

2.2 Áp suất hơi bão hòa

Đường cong áp suất hơi bão hòa (P, T)

• Áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào bản chất chất lỏng và nhiệt độ

18

2.2 Áp suất hơi bão hòa

Ví dụ: Đặt 2 lít nước trong phòng kín có thể tích 4,25.10 4 lít, cho nước bay hơi Nước có bay hơi hết ở 25 o C không? (ở 25 o C,

giảm → điểm sôi càng cao

Bong bóng nước Xem hình 13.18; tr.78

20

III- Trạng thái rắn

3.1 Cấu trúc chất rắn

Chất rắn mạng tinh thể : phân tử, ion được sắp xếp

• Phân tử, ion được sắp xếp có hệ thống, đều đặn

• Mạng tinh thểđược xây dựng từ những ô đơn vị

(đơn vị lặp lại nhỏ nhất của mạng tinh thể)

3.2 Mạng tinh thể kim loại và ô đơn vị

• Mạng tinh thể được xây dựng từ những ô đơn vị

Các nguyên tử kim loại xếp chặt khít với nhau tạo nên mạng tinh thể kim loại

Ô đơn vị

24

Lập phương đơn giản (sc)

Lập phương tâm khối (bcc)

Lập phương tâm mặt (fcc)

Số nguyên tử trong một ô đơn vị

Với ô đơn vị hình lập phương:

• Nguyên tử ở đỉnh chia đều cho 8 ô chung đỉnh

• Nguyên tử ở cạnh chia đều cho 4 ô chung cạnh

• Nguyên tử ở mặt chia đều cho 2 ô chung mặt

• Nguyên tử ở tâm khối thuộc riêng ô đó

Ví dụ:

bcc: 1/8 (8 ngtử đỉnh) + 1 ng.tử ở tâm = 2 nguyên tửfcc: 1/8(8 ngtử đỉnh) + ½(6 ngtử ở mặt) = 4 nguyên tử

26

Kích thước ô đơn vị và bán kính nguyên tử

• Ô lập phương đơn giản (sc): r = a/2

• Ô lập phương tâm mặt (fcc): r =

4

2a

3.3 Cấu trúc và công thức của chất rắn ion

NaClCấu trúc mạng tinh thể của hợp chất ion NaCl:

28

Xác định công thức hóa học của hợp chất

Ví dụ 1: Hợp chất của Na, Cl với cấu trúc ô đơn vị:

Xác định công thức hóa học của hợp chất

Ví dụ 2: Hợp chất của Zn, S với cấu trúc ô đơn vị:

Công thức: ZnS

30

Xác định công thức hóa học của hợp chất

Ví dụ 3: Hợp chất của Ca, F với cấu trúc ô đơn vị:

3.4 Giản đồ trạng thái của nước

Rắn Lỏng Hơi

Điểm đông đặc tc

Điểm sôi tc

 Tính chất của dung dịch điện ly

• Dung dịch keo (tham khảo)

1kg dung môi:

(14.1)

1.3 Quá trình hòa tan

• Khả năng hòa tan của các chất:

Các chất giống nhau thì hòa tan vào nhau

 Dung môi phân cựchòa tan tốt các chấtphân cực; hợp chấtion

 Dung môi khôngphân cực hòa tan tốtcác chất không phâncực

Lắc ống nghiệm

I2không phân cực tan tốt trong CCl4không phân cực

10

1.4 Nhiệt hòa tan

• Xét quá trình hòa tan chất rắn vào lỏng:

CuCl2(r) Cu2+; Cl-trong dd

1.4 Nhiệt hòa tan

Quá trình hòa tan chất rắn vào lỏng gồm 2 quá trình:

Nhận xét: Quá trình hòa tan chất khí luôn tỏa nhiệt

Quá trình hòa tan chất lỏng thu nhiệt

 ∆Hht= -∆Hmtt+ ∆Hhđr = -16 kJ/mol

1.5 Ảnh hưởng của áp suất đến độ hòa tan

• Quá trình hòa tan chất khí vào chất lỏng:

Pi: áp suất riêng phần của khí i

1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan

• Quá trình hòa tan chất khí vào chất lỏng:

- Khi tăng nhiệt độ → độ hòa tan của khí giảm

- Khi giảm nhiệt độ → độ hòa tan của khí tăng

1.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan

• Quá trình hòa tan chất rắn vào chất lỏng:

∆H < 0 hoặc ∆H > 0

Độ hòa tan của chấtrắn phụ thuộc nhiệt độrất khác nhau

18

II- Tính chất của dung dịch

2.1 Áp suất hơi bão hòa

• Xét dung dịch chứa chất tan không bay hơi:

Phân tử dung môi

Phân tử chất tan không bay hơi

Dung môi nguyên chất

Độ giảm áp suất hơi bão hòa

• Với dung dịch chứa chất tan không bay hơi:

Pdd < Po

dm

2.1 Áp suất hơi bão hòa

Ví dụ:Hòa tan 651 g etilen glycol vào 1,5 kg nước Áp suất hơi bão hòa của dung dịch thu được ở 90 o C là bao nhiêu?

2.2 Điểm sôi, điểm đông đặc

Giản đồ trạng thái của dung môi và dung dịch

trưng cho dung môi, không phụ thuộc chất tan

sôi (oC)

Ks(oC/m)

Điểm đông đặc (oC)

Kđ(oC/m)

Long não(C10H16O)

2.2 Điểm sôi, điểm đông đặc

Ví dụ: Cần cho thêm bao nhiêu gam etilen glycol vào

Phân tử chất tan Phân tử dung môi

Áp suất thẩm thấu

Thí nghiệm:

• Màng bán thấmlà màng vật liệu mỏng chỉ cho một

số loại phân tử nhỏ đi qua

• Áp suất thẩm thấulà áp suất thủy tĩnh của cột nước

ở trạng thái cân bằng (П)

П = CRT (14.10)C: nồng độ mol; R: hằng số khí; T: nhiệt độ (K)

Ứng dụng hiện tượng thẩm thấu

Tách nước sạch từnước biển bằng phươngpháp thẩm thấu ngược

P = 50 atm

Nồng độ c.tan cao Nồng độ c.tan thấp Nồng độ c.tan cao

Nồng độ c.tan thấp П có ảnh hưởng

lớn đến tế bào

Có ứng dụng trong y học

30

2.4 Tính chất của dung dịch điện li

• Dung dịch muối, axít và bazơ là những dung dịchđiện li

• Tổng số hạt thực sự có trong dung dịch (phân tử;

ion +; ion -) lớn hơn tổng số phân tử chất tan

• Các tính chất của dung dịch do các hạt chất tan gây

ra có hiệu ứng cao hơn đối với dung dịch điện li

(14.9)

2.4 Tính chất của dung dịch điện li

Ví dụ: Hãy tính điểm đông đặc của dung dịch chứa 25,0 g NaCl trong 525 g nước Giả sử NaCl có hệ

I-Khái niệm tốc độ phản ứng

4

1.1 Khái niệm về tốc độ phản ứng

Phản ứng: A → B

II-Sự phụ thuộc của tốc độ vào nồng độ - Các phương trình tốc độ

Phản ứng A + B → C với các số liệu thực nghiệm:

• Sử dụng phương pháp tốc độ ban đầu

Thí nghiệm

Nồng độ đầu ([A]0)

Nồng độ đầu ([B]0)

Tốc độ ban đầu (v0)

tăng 2 → phản ứng bậc 1 đối với B

không thay đổi → phản ứng bậc 0 đối với A

2.4 Quan hệ giữa nồng độ - thời gian

Ví dụ: Đường saccaro phân hủy thành đường glucose và fructose trong môi trường axit theo phản ứng bậc 1 Nếu k = 0,208 h -1 ở 25 o C và nồng độ ban đầu của đường là 0,075M.

Hỏi sau 2h nồng độ đường còn lại là bao nhiêu?

Từ thông

số bài toán

Viết phương trình quan hệ [R] và t

từ k, [R]ovà t tính [R]t

• Bậc 0: Tính k = ([R]o-[R]t)/t

• Bậc 1: Tính k = (ln[R]o- ln[R]t)/t

(ln(1,000) - ln(0,800)) / 10 = 0.0223(ln(1,000) - ln(0,6667)) / 20 = 0.0203(ln(1,000) - ln(0,5000)) / 40 = 0.0173

(1/0.800 - 1/1.000) / 10 = 0.0250(1/0.6667 - 1/1.000) / 20 = 0.0250(1/0.5000 - 1/1.000) / 40 = 0.0250

• Bậc 2: Tính k = (1/[R]t-1/[R]0)/t

phản ứng bậc 2 và k = 0,025 L/mol.ph

2.6 Thời gian bán hủy

• Thời gian bán hủy (t½ ): là thời gian phản ứng được 50% lượng chất ban đầu

2.6 Thời gian bán hủy

Ví dụ: Một chất phóng xạ phân hủy theo phản ứngbậc 1, có thời gian bán hủy là 30 năm

2.6 Thời gian bán hủy

Ví dụ: Một chất phóng xạ phân hủy theo phản ứngbậc 1, có thời gian bán hủy là 30 năm

a) Tính hằng số tốc độ của phản ứng đó?

1/ 2

0,693 t

k

22

2.6 Thời gian bán hủy

Ví dụ: Một chất phóng xạ phân hủy theo phản ứngbậc 1, có thời gian bán hủy là 30 năm

III-Nhiệt độ và năng lượng hoạt hóa

 Các phân tử va chạm phải có định hướng thuận lợi cho sự sắp xếp lại của các nguyên tử

3.1 Thuyết va chạm

• Nồng độ tăng, số va chạm của các phân tử tăng

• Nhiệt độ tăng, tốc độ va chạm tăng

• Chỉ có va chạm đúng hướng mới tạo ra phản ứng

26

Đường phản ứng chất phản ứng Trạng thái trung gian Chất sản phẩm

= ∆H o

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Khi T tăng, động năng của các phân tử tăng, số phân

tử có đủ năng lượng tăng, tốc độ phản ứng tăng

• Phương trình Arrhenius (tr.187-190): Tham khảo

28

IV-Cơ chế phản ứng

và xúc tác

4.1 Chất xúc tác

• Chất xúc tác là chất có mặt trong phản ứng hóa học,làm thay đổi tốc độ phản ứng nhưng bản thân nókhông bị thay đổi về bản chất hóa học

1.2 Trạng thái cân bằng hóa học

• Trạng thái cân bằng: trạng thái mà lượng chấtphản ứng và sản phẩm không thay đổi theo thờigian

• Ở trạng thái cân bằng: vthuận = vnghịch

vị trí cân bằng, phản ứng thuận và phản ứng nghịchvẫn xảy ra nhưng với vận tốc như nhau

- K phụ thuộc vào phản ứng cụ thể và nhiệt độ

Ở trạng thái bất kì: v (thuận) ≠ v (nghịch)[NO2]2 / [N2O4] = Q (Q: tỉ số phản ứng)

[NH ][OH ] K

2.2 Ý nghĩa của hằng số cân bằng

• K >> 1: phản ứng ưu tiên tạo thành chất sản phẩm

• K << 1 : phản ứng ưu tiên tạo thành chất tham gia

(Xem bảng 16.1)

Chú ý: Nếu K <<< 1: “phản ứng không xảy ra”

Nếu K >>> 1: “phản ứng xảy ra hoàn toàn”

2 2

2 4

[NO ] K=

 Phản ứng xảy ra theo chiều nghịch

Quan hệ giữa K, Q Chiều phản ứng

III- Sử dụng hằng số cân bằng

3.2 Tính nồng độ từ hằng số cân bằng

Ví dụ: Cho 1 mol H2và 2 mol I2vào bình kín 1,0 L ở 458 o C Tính

số mol các chất ở trạng thái cân bằng biết K = 49,7?

IV- Sự chuyển dịch

cân bằng

• Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier:

Một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu thay đổi mộttrong các điều kiện bên ngoài thì cân bằng sẽ chuyểndịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó

22

Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, chúng ta xem

“nhiệt” như một chất phản ứng:

Khi T ↑, nhiệt ↑ : phản ứng theo chiều thuận

Khi T ↑, nhiệt ↑ : phản ứng theo chiều nghịch

Ảnh hưởng của sự thay đổi thể tích, áp suất

• Chúng ta cũng có thể giải thích ảnh hưởng của sự thay đổi V thông qua áp suất:

• Xét trường hợp P tăng (V giảm) đối với các phản ứng:

ở trạng thái cân bằng mới?

(Ví dụ 16.8 ; tr.253)

Ảnh hưởng của nồng độ

• Giải:

Nồng độ (M) butan ⇌ isobutan[ban đầu] (0,500 + 1,50) 1,25

• Như vậy, chất xúc tác chỉ làm cho phản ứng nhanhđạt tới trạng thái cân bằng chứ không làm thay đổi

vị trị cân bằng

• Khái niệm axit bazơ

• Tính axit, bazơ của nước

• Cân bằng trong dung dịch axit, bazơ

• Thuyết axit bazơ của Lewis

I- Khái niệm axit bazơ

4

1.1 Thuyết axit bazơ của Arrhenius

• Axit: HA (HCl, HNO3, H2SO4 , HCOOH….)

• Bazơ: MOH (NaOH, Ca(OH)2 ….)

• Độ mạnh của axit, bazơ:

Axit và bazơ mạnh điện ly hoàn toàn (~ 100%)

trong dung dịch

• Axit mạnh: HCl, HBr, HI, HClO4, HNO3, H2SO4…

• Bazơ mạnh:MOH và M(OH)2, M = Li+, Na+, K+,

Rb+, Cs+, Ca2+, Sr2+; Ba2+

1.2 Thuyết axit bazơ của Bronsted-Lowry

• Axit:là chất có khả năng nhường proton (H+)

2.1 Sự điện ly của nước

bazơ

trung tính axit

• Axit yếu điện ly không hoàn toàn Hằng số cân bằng

mạnh của axit

3 a

[A ][H O ] K

[HA]



3.2 Axit yếu và Ka

16

3.3 Bazơ yếu và Kb

• Bazơ yếu điện ly không hoàn toàn Hằng số cân bằng

4

-b

3

[NH ][OH ]K

[NH ]





3.4 Tính axit, bazơ của dung dịch muối:

phản ứng thủy phân

• Phản ứng thủy phân là tương tác giữa các ion

Do đó làm thay đổi pH của dung dịch (pH ≠ 7)

H2O (l) + H2O (l) ⇌ H3O+(dd) + OH-(dd)

A Muối tạo bởi Ax mạnh – Bz mạnh:

Có 4 trường hợp xảy ra: