NHIỆT ĐÔNG LỤC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC ppsx

quá trình thuận nghịch Là qt có thể tiến hành theo hai chiều ngược nhau, các trạng thái trung gian giống nhau, không gây nên biến đổi gì trong hệ cũng như môi trường.. Quá trì

MỤC LỤC Mục lục

Lời mở đầu

Chương 6: NHIỆT ĐÔNG LỤC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

1.Đối tượng nghiên cứu của nhiệt đông lực học………

1.1 Khái niệm chung………

1.2 Các tham số của hệ………

1.2.1 Thông số trạng thái, biến số trạng thái………

1.2.2.Trạng thái………

1.2.3.Hàm trạng thái………

1.2.4 Hàm không phải hàm trạng thái………

1.3 Qúa trình thuận nghịch và không thuận nghịch………

2 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học, nội năng U, entapiH…

2.1 Định lý thứ nhất của nhiệt động lực học………

2.2 EntapiH, nhiệt đẳng tích Qv………

2.3 Liên hệ nhiệt đẳng áp và nhiệt đẳng tích của khí lý tưởng… 2.4 Nhiệt dung………

2.5 Định luật Kirchhoff………

3 Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học ………

3.1 Khái niệm………

3.2 Phương trình nhiệt hóa học………

3.3 Một số các loại nhiệt thường gặp………

3.4 Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ………

4 Định luật Hess và hệ quả………

5 Nguyên lý thứ hai nhiệt động lực học………

5.1.Entapi và tính chất của nó………

5.1.1 Khái niệm………

5.1.2 Tính chất……….5.2 Entapi và số chuyển pha………

LỜI MỠ ĐẦU

Trong xu thế hội nhập kinh tế thế giới(wto) để có thể sánh kịp các cườngquốc trên thế giới đồi hỏi chúng ta phải cố trên tất cả lĩnh vực như; kinh tế,chính trị, khoa học công nghệ kỹ thuật…để có thể làm được đều này khôngcòn con đường nào khác là phải cố gắng học tập, rèn luyện kĩ năng, trau dồikiến thức từ khi còn là học sinh sinh viên Trong khi các môn học xã hộigiúp cung cấp kiến thức xã hội cấn thiết giúp chúng ta có đủ tự tin bước vàocuộc sống thì các môn học thuộc lĩnh vực tự nhiên lại là “chìa khòa” giúpcho chúng ta mỡ những cánh cửa “thành công” trong cuộc sống chínhnhững môn học này là nền tản giúp chúng ta tiến gần tới những thành tựukhoa học kỹ thuật hiện đại và sử dung những thành tựu đó trong công cuộcxây dựng đất nước

Hóa học là một môn khoa học có vai trò rất quan trọng vào sự thànhcông của khoa học công nghệ Xét riêng trong nghành công nghệ thực phẩmthì Hóa học là môn cơ sở mang tính chất quyết định trong quá trình học tập.chính ví vậy mà chúng em monh muốn được tìm hiểu, học hỏi cũng nhưchia sẽ những hiểu biết nhỏ bé của mình mà chúng em chọn đề tài Nhiệtđộng hóa học

Bằng những phương pháp thống kê, phân tích tổng hợp từ những tài liệuquí báu mà chúng em tìm được đã giúp chúng em hiểu sâu sắc hơn về mônhọc này, đặc biệt là vấn đề Nhiệt động hóa học Để tìm hiểu sâu vấn đề nàychúng ta cùng tìm hiểu ở phần nội dung

CHƯƠNG 6

NHIỆT ĐÔNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC

1 Đối tượng nghiên cứu của nhiệt đông lực học

Nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển

sư biến đổi năng lương, đặc biệt là sư biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lương khác.

Nhiệt động lực học hoá học là khoa học suy diễn vì nội dung

chủ yếu của nó dựa vào chủ yếu ba nguyên lý của nhiệt động lưc học,

ba trong bốn nguyên lý này có được từ sự khái quát hoá kinh nghiệm và hoạt động của con người trong nhiều thế kỷ.

Nhiệt động lực học hoá học cho phép tính năng lượng trao đổi trong quá trình phản ứng, dựa vào các thông số nhiệt động có thể tiên đoán được chiều hướng các phản ứng, giới hạn tự diễn biến, trong điều kiện nào phản ứng tự xảy ra và hiệu suất phản ứng Nhiệt động lực học hoá học là khoa học suy diễn vì nội dung chủ yếu của nó dựa vào chủ yếu ba nguyên lý của nhiệt động lực học, ba trong bốn nguyên lý này có được từ sự khái quát hoá kinh nghiệm và hoạt động của con người trong nhiều thế kỷ.

Nhiệt động lực học hoá học cho phép tính năng lượng trao đổi trong quá trình phản ứng, dựa vào các thông số nhiệt động có thể tiên đoán được chiều hướng các phản ứng, giới hạn tự diễn biến, trong điều kiện nào phản ứng tự xảy ra và hiệu suất phản ứng.

1.1 Khái niêm chung

1.1.1 Hệ một hay nhiều vật thể thuộc vũ trụ được chọn nghiên cứu, được ngăn cách với môi trường ngoài (phần còn lại của vũ trụ) bằng ranh giới thực hoặc tương tượng.

Hệ cô lập

Hệ không trao đổi chất, không trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt và công với môi trường Hệ có thể tích không thay đổi.

Hệ kín

Hệ không trao đổi chất, có thể trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt và công với môi trường Hệ có thể tích thay đổi Hệ phản ứng trong bình kín.

Hệ mơ

Là hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường.

Hệ hơ hệ kín hệ cô lập

Hình 1: ví dụ về hệ mơ hệ kín, hệ cô lập ơ 3 hình trên

Hệ đồng thể

Là hệ có tính chất lý hoá học giống nhau ơ mọi điểm của hệ nghĩa là không có sự phân chia hệ thành những phần có tính chất hoá lý khác nhau

Hệ đồng thể là hệ một pha, hệ dị thể là hệ nhiều pha

Hệ cân bằng là hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ơ mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian

1.2 Các tham số của hệ

Tham số trang thái: bao gồm tất cả các tham số đặc trưng cho hệ và cho mối liên hệ của hệ và môi trường ngoài ( P, V, T, U, ).

Các tham số trang thái chỉ phụ thuộc vào trang thái đầu và trang thái cuối, không phục thuộc vào đường đi của quá trình

Bất kỳ tham số nào cũng suy diễn từ tham số trang thái điều là tham

Trong đó: Chỉ giá trị đầu Z1 và giá trị cuối Z2

Z quyết định giá trị của ∆Z

1.2.1 Thông số trạng thái, biến số trạng thái

Các đại lượng vật lý như nhiệt thể tích áp suất riêng, Là các

Thông số trạng thái dung độ, tỉ lệ khối lượng Ví dụ thể tích, khối lượng.

Thông số trạng thái cường độ thì ngược lại Ví dụ nhiệt độ, áp suất, nồng độ.

1.2.2 Trạng thái (chú ý: khác trạng thái tập hợp chất: khí, lỏng, rắn) Trạng thái của một hệ được xác định bơi tập hợp các giá trị của thông số trạng thái Trạng thái của hệ sẽ thay đổi nếu một trong những thông số trạng thái thay đổi.

Ví du: Thanh Fe 10 cm 3 , ơ 30 0C, 1atm Khi nung đến 120 0 C thì Fe vẫn rắn.

1.2.3 Hàm trạng thái

Một đại lượng F (P,V,T) được gọi là hàm số trạng thái của hệ nếu biến thiên của đại lượng đó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu F1 (P1, V1, T1) và cuối F2 (P2, V2, T2) của hệ mà không phụ thuộc vào cách tiến hành thuận nghịch hay bất thuận nghịch.

Một biến thiên hữu hạn từ trạng thái 1 đến trạng thái 2 : 1(Z1) → 2 (Z2) ∆ Z = Z2 –Z1

Một biến thiên vô cùng bé : dZ hay ∂ Z

Trong một chu trình : ∆ Z =0

4.1.2.4 Hàm không phải là hàm trạng thái

Công cơ học W không phải là hàm trạng thái vì giá trị của W phụ thuộc cách biến đổi thuận nghịch (hệ chuyển từ TTCB này sang TTCB khác vô cùng chậm qua liên tiếp các trạng thái cân bằng,

sự khác giá trị thông số trạng thái là vô cùng nhỏ) hoặc không thuận nghịch (biến đổi không thuận nghịch là quá trình không cân bằng, tự xảy ra)

Khi hệ biến đổi hữu hạn từ trạng thái 1 sang 2.

Hệ biến đổi không thuận nghịch (Png ≠ Pkh)

Khi hệ ơ trạng thái 1, áp suất khí trong cylinder bằng với áp suất pistol và các vật trên pistol.

1 2

1

2

0

dZ dZ

Z

Z Z Z dZ Z

C

Nếu lấy bớt vật vô cùng nhỏ, thể tích tăng và áp suất giảm Hệ sinh công do khí giãn nơ.

Nếu nén khí từ trạng thái 2 về trạng thái 1 bằng cách thêm các vật

vô cùng nhỏ, thì hai đường bậc thang sẽ tiến dần đến đường Hypecpol Quá trình biến đổi thuận nghịch Wmax.

Quá trình cân bằng.

Là quá trình trong suốt thời gian diễn biến hệ lúc nào cũng chỉ có những sai lệch nhỏ so với trạng thái cân bằng.

1.3 Quá trình thuận nghịch va không thuận nghịch

1.3.1 quá trình thuận nghịch

Là qt có thể tiến hành theo hai chiều ngược nhau, các trạng thái trung gian giống nhau, không gây nên biến đổi gì trong hệ cũng như môi trường.

1.3.2 Quá trình không thuận nghịch

Là các quá trình mà sau đó hệ và môi trường không thể trơ lại đúng trạng thái ban đầu.Quá trình có ma sát đều là qt bất thuận nghịch

Các qt tự xảy ra trong tự nhiên đều là qt bất thuận nghịch

Quá t rình khuếch tán của khí là quá trình bất thuận nghịch

Tính chất của quá trình thuận nghịch

Xảy ra với tốc độ vô cùng chậm, có thể xem là một dãy liên tục các trạng thái cân bằng nối tiếp nhau.

Công hệ sinh trong quá trình thuận nghịch là cực đại chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối.

Tính thuận nghịch là một thuộc tính của quá trình cân bằng

Các quá trình được xem gần như quá trình thuận nghịch

Quá trình chuyển pha ơ đúng điều kiện nhiệt độ và áp suất chuyển pha.

Quá trình tăng hay giảm nhiệt độ vô cùng chậm.

Quá trình dãn nơ đẳng nhiệt vô cùng chậm của khí lý tương.

Phản ứng hoá học diễn ra ơ gần với điều kiện cân bằng.

2 Nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học, nội năng U, enthalpy H 2.1 phát biểu định lý thứ nhất của nhiệt động lực học

Nguyên lý thứ nhất của nhiêt động lực học chính là định luật bảo toàn năng lượng:

“ Năng lương không tư sinh ra và không tư mất đi mà chỉ có thể biến

từ dạng này sang dạng khác với một năng lương tương đương nghiêm ngặt”

Sự biến đổi nội năng của hệ bằng tổng tất cả các dạng năng lượng mà hệ trao đổi với môi trường ΔU = Q + W

Đối với hệ cô lập W = Q = 0, ΔU = 0 hay U2 = U1 nội năng hệ cô lập được bảo toàn.

Đối với quá trình mơ ΔU = const., biến thiên nội năng không phụ thuộc cách tiến hành, chỉ phu thuộc trạng thái đầu và cuối 2.2 Enthalpy H, nhiệt đẳng tích Qv

A’ công có ích (công điện, ) ( A’ ≥ 0)

A công dãn nơ

Qv –A’= ∆U

Không có pư hoá học A’=0 → Qv= ∆ U

Qv - nhiệt đẳng tích

Có pưhh A’≥ 0 → Qv –A’ = ∆ U

Qv –A’ hiệu ứng nhiệt đẳng tích

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ơ đk đẳng tích bằng biến thiên nội năng của hệ.

Quá trình đẳng áp P= const→ A = P (V2-V1)

QP – A’ = (U2 – U1) + P(V2 – V1)

Qp – A’ = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Entanpi H = U + PV

Qp –A’ = H2 – H1= ∆H

Không có pưhh A’=0 QP = ∆H ,

Qp là nhiệt đẳng áp

Có pưhh A’≥ 0 Qp –A’ = ∆H

(Qp-A’ ) gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ơ đk đẳng áp bằng biến thiên entanpi của hệ.

Có pưhh A’≥ 0 Qp –A’ = ∆H

(Qp-A’ ) gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ơ đk đẳng áp bằng biến thiên entanpi của hệ.

Đa số các phản ứng hoá học thường được tiến hành ơ đk áp suất không đổi nên hiệu ứng nhiệt của phản ứng được xác định bằng

∆H của phản ứng

Phản ứng đẳng áp, đẳng nhiệt ( O2 khí lý tương )

2.3 Liên hệ nhiệt đẳng áp và nhiệt đẳng tích của khí lý tương, P = const

ΔH = Δ(U + PV)p = ΔU + PΔV

Qp = Qv + ΔnRT Δn = số mol sản phẩm khí - số mol khí tham gia

Hình trên: Ví dụ 1: Tính nhiệt cháy của octane theo phương trình, khi đốt 1 gram octane tạo ra sự tăng nhiệt độ từ 25 đến 33,20 0C, nhiệt lượng kế chứa 1200 grams nước, nhiệt dung của bomb là 837 J/K.

Q = 48033 J nhiệt đốt cháy 1 gram là -48 kJ

Vd 2: Tính nhiệt lượng thoát ra khi làm nguội miếng nhôm nặng 25 grams từ 310 0C đến 37 0C, nhiệt dung riêng của nhôm là 0,902 J/g.K

Q = (0,902 J/gK).(25g).(273K) = - 6156 J

T T dT

1

T T dT Cp

Biết nhiệt dung mol đẳng tích và đẳng áp có thể tính được biến đổi nội năng và biến đổi enthalpy theo nhiệt độ.

Cv và Cp là hàm số của nhiệt độ thường được iểu diễn bằng biểu thức

C = ao + a1T + a2T-2 = Σ anTn ao, a1, a2 là những hằng số đặc trưng đối với một chất nguyên chất trong khoảng nhiệt độ khảo sát.

2.5 Định luật Kirchhoff

T T dT Cp

Nếu ΔCp không phụ thuộc nhiệt độ T

Tính ΔH0 của phản ứng ơ 500 K

Tính ΔH0 của phản ứng ơ 1100 K và 1200 K

CaCO3 (r) CaO (r) + CO2 (k)

Biết sinh nhiệt mol chuẩn của CaO (r), CaCO3 (r), CO2 (k) lần lượt là

- 635,09, - 1206,87, - 393,51 kJ/mol

(Cp)CaO (r) = 48,83 + 4,52.10-3T + 6,53.105T-2 J/mol.K (Cp)CaCO3 (r) = 104,52 + 21,92.10-3T - 25,94.105T-2 J/mol.K

(Cp)CO2 (k) = 28,66 + 35,7.10-3T J/mol.K

3 Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hoá học

3.1 Khái niệm về hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học

Hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học là nhiệt lượng mà hệ thu vào hay phát ra trong các quá trình hoá học dung để thay đổi nội năng hay entanpi của hệ.

Trong các quá trình hoá học phát nhiệt làm cho nội năng U và entanpy H của hệ giảm xuống tức là ∆U < 0 và ∆H < 0 ngược lại trong các quá trình thu nhiệt thì ∆U > 0 và ∆H >0.

Trong những phản ứng mà chất rắn và chất lỏng tham gia sự biến đổi thể tích là không đáng kể và nếu quá trình thực hiện ơ áp suất bé có thể coi p∆U có giá trị rất nhỏ khi đó ∆H ≈ ∆U nếu các phản ứng có chất khí tham gia thì giá trị ∆H và ∆U sẽ khác nhau Trong trường hợp khí tham gia là lý tương:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng là nhiệt toả ra hay hấp thụ trong một phản ứng hoá học Hiệu ứng nhiệt được tính bằng kJ/mol và ký hiệu là Q.

Khi Q >0: phản ứng toả nhiệt.

Khi Q<hản ứng đốt cháy, phản ứng trung hoà thuộc loại phản ứng toả nhiệt Phản ứng nhiệt phân thường là phản ứng thu nhiệt.

- Muốn tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng tạo thành các hợp chất

từ đơn chất hoặc phân huỷ một hợp chất thành các đơn chất ta dựa vào năng lượng liên kết.

Ví dụ: Tính năng lượng toả ra trong phản ứng thu nhiệt dựa vào năng lượng liên kết (cho ơ trên) ta tính được

D(436 + 242) = 186kJ/mol.

Đới với phản ứng phức tạp, muốn tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng

ta dựa vào nhiệt tạo thành của các chất (từ đơn chất), do đó đơn chất trong phản ứng không tính đến (ơ phản ứng trên, nhiệt tạo thành HCl là 186/2 = 93 kJ/mol

So sánh nhiệt phản ứng Qp và Qv

3.2 Phương trình nhiệt hoá học

Phương trình nhiệt hoá học là phương trình phản ứng hoá học bình thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia và thu được sau phản ứng Đa số các phản ứng sảy

ra ơ áp suất không thay đổi nên ta xét chủ yếu biến thiên ∆H Theo quy ước của nhiệt động học phản ứng

+ Nếu Q > 0 (∆H < 0 ) : phản ứng tỏa nhiệt4

+ Nếu Q < 0 (∆H > 0 ): phản ứng thu nhiệt.

Các chất khác nhau thì nội năng hay entanpy cũng khác nhau, do đó có thể nói nội năng hay entanpy của các chất tham gia phản ứng khác với các chất thu được sau phản ứng.

Hiệu ứng nhiệt ∆H của 1 phản ứng ơ áp suất không đổi và một nhiệt

độ xác định bằng

tổng entanpy của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entanpi của các chất tham gia phản ứng

∆H = ∑∆HSPpư - ∑∆Hchất đầu pư

Trong nhiệt động học thì quy ứoc entanpi của đơn chất ơ trạng thái tiêu chuẩn bằng 0

Đối với chất khí trạng thái tiêu chuẩn là trạng thái khí lý tương ơ áp suất p = 1 atm

Đối với chất lỏng và chất rắn trạng thái` tiêu chuẩn là trạng thái tinh khiết ơ 2980K (tức 250C) và áp suất là 1atm biến thiên entanpi tính đươc từ các chất ơ điều kiện chuẩn là entanpi tiêu chuẩn, ký hiệu ∆H0298.

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn, ∆Hf° (kJ/mol)

Phản ứng phân huỷ là phản ứng nghịch của pư tạo thành.

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn