hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

Lý do chọn đề tài Nhiệt động hóa học là môn nghiên cứu năng lượng và chuyển hóa năng lượng mà trước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển hóa giữa nhiệt với công và các dạng năng lương khác

1 Phần mở đầu 1.1 Lý do chọn đề tài

Nhiệt động hóa học là môn nghiên cứu năng lượng và chuyển hóa năng lượng mà trước hết là nhiệt và mối quan hệ chuyển hóa giữa nhiệt với công và các dạng năng lương khác

Do sự đam mê của bản thân đối với đề tài hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học

1.2. Tầm quan trọng để tiến hành chọn đề tài

Vì các hóa học luôn kèm theo sự biến đổi về năng lượng (chủ yếu dưới dạng nhiệt)cho nên việc nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học sẽ có một ý nghĩa nhất định đối với hóa học

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu về :

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

Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess

Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ

2 Phần nội dung

Chương 1: Tổng Quan

Đề tài này được mọi người rất ham mê nghiên cứu vì nó giúp mọi người hiểu rõ thêm được mỗi phản ứng cần lượng nhiệt bao nhiêu để nhằm mục đích tính được mức

độ tương đối chính xác mà di điều chế các chất cho phù hợp

Hiên nay thì đề tài này đã được các nhà hóa học trên thế giới nghiên cứu đến các vấn

đề như:

Hiệu ứng nhiệt của quá trình phản úng

Hiểu rõ về phương trình nhiệt hóa học

Nắm rõ được dạng nhiệt đó là dạng nhiệt gì (nhiệt đốt cháy hay là nhiệt tạo thành….)

Đo được một số loại nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ∆H0 298 kJ/mol của một số chất ở đktc

Hay là biết thêm về sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ như thế nào

Áp dụng và vận dụng được các hệ quả của định luật Hess

Qua trên thì cho ta thấy quá trình nghiên cứu về đề tài hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học là rất chi tiết

Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu.

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến hóa tự dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác và thiêt lập các định luật của sự biến đổi

đó Cơ sở của nhiệt động lực học là hai nguyên lý của nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học hóa học là khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến đổi qua lại hóa năng và các dạng năng lượng khác trong các quá trình hóa học

Trong nhiệt động hóa học người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của của các quá trình hóa học

Nhiệt động lực học hóa học cho phép giải quyết nhiều vấn đề quan trọng của qua trình hóa học như:

Xác định chiều hướng và chiều hướng của các quá trình hóa học

Xác định năng lượng liên kết hóa học

Dự đoán mức độ tự diễn ra của quá trình hóa học và từ đó có thể xác định được hiệu xuất của phản ứng hóa học

Nghiên cứu về hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học

Nghiên cứu các qua trình cân bằng hóa học như hằng số cân bằng ,cân bàng pha, cân bằng trên các diện cực,chuyển dịch cân bằng … [1]

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng.

Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học là nhiêt lượng tỏa ra hay hấp thụ trong các quá trình hóa học dùng để thay đổi nội năng hay entanpi của hệ.[1]

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

0 và ΔH > 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 ở áp suất bé có thể coi pΔU có giá trị rất nhỏ khi đó ΔH ≈ ΔU

Nếu các phản ứng có chất khí tham gia thì giá trị ΔH và ΔU sẽ khác nhau Trong trường hợp khí tham gia là lý tưởng:

PV = nRT pΔV = Δn RT n: là biến thiên số mol khí trong phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T R là hằng số khí R = 8,312at.lit / mol độ

ΔH = ΔU + ΔnRT

Khi Δn = 0 thì ΔH = ΔU

2.2.2 Phương trình nhiệt hóa 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 ở áp suất không thay đổi nên ta xét chủ yếu biến thiên

ΔH [1]

Ví dụ:

C( r) +O2 (k)  CO2 (k) ΔH =-395.41 kJ Kim cương (tinh thể)

Graphit(than chì ) Khi viết phương trình nhiệt hóa học ta cần lưu ý :

 Hệ số của phương trình:

H2(k) +1/2O2(k)  H2O(l) ΔH =-285.84kJ 2H2(k) +O2(k)  2H2O(l) ΔH =-571.68 kJ

 Cần nêu áp suất và nhiệt độ tại đó xác định giá trị entanpi Thông thường áp suất

1 atm dược ghi bàng chỉ số trên 0, nhiệt độ 25oC được ghi bằng chỉ số dưới 298 (K) của kí hiệu ΔH:

H2(k) +1/2O2(k)  H2O(l) ΔH0 298 =-285.84 kJ

Áp suất 1 atm , nhiệt độ 298 k là áp suất tiêu chuẩn và nhiệt đọ tiêu chuẩn nhiệt động lực học

Có thể áp dụng định luật Hess để xác định lí thuyết hiệu ứng nhiệt phản ứng về bản chất, định luật là hệ quả của nguyên lý thứ nhất nhiệt động lực học áp dụng cho quá trình hóa học [2]

Ta quy ước:

Quá trình thu nhiệt ΔH>0

Quá trình tỏa nhiệt ΔH<0

Hiệu ứng nhiệt ΔH của 1 phản ứng ở 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:

ΔH = ΣΔHSPpư - ΣΔHchất đầu pư

2.2.3 Các loại nhiệt thường gặp.

 Nhiệt tạo thành.

Nhiệt tạo thành (còn gọi là sinh nhiệt ) của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các dơn chất ứng với trạng thái tự do bền vững nhất [2]

Nhiệt tạo thành thường được đo trong diều kiện đảng áp và quy về 250C, 1atm Khi đó ta có nhiệt tạo thành tiêu chuẩn, tức entanpi tạo thành mol tiêu chuẩn và kí hiệu

là ΔH0

tt

Ví dụ: Nhiệt tạo thành của khí CO2 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng: C(gr) + O2 = CO2(k) ΔH = -393,5 kJ/mol

Hiệu ứng nhiệt của pư kết hợp giữa H2 và O2 tạo thành nước:

2H2(k) + O2(k) = 2H2O(l) ΔH = -571,66 kJ/mol

Nhiệt tạo thành của nước lỏng từ các đơn chất là: -571,66 : 2 = -285,83 kJ

 Nhiệt đốt cháy.

Nhiệt đốt cháy (còn gọi là thiêu nhiệt) là hiệu ứng nhiệt của phản ứng dốt cháy 1 mol chất bằng khí oxi (O2) để tạo thành sản phẩm cháy ở áp suất không đổi sản phẩm cháy của các nguyên tố C,H,N,S,Cl được chấp nhận tương ứng là CO2(k), H2O(l), N2(k), SO2(k)

và HCl(k.)

 Ta có ΔHdc=-372.82 kcal

2.2.4 Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess.

2.2.4.1 Định luật Hess(1812-1850)

Năm 1840 G.I.Hess đã phat minh ra định luât căn bản của nhiệt động hóa học Khái niệm: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào trong trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian.[1]

Nội dung: “Nếu có nhiều cách để chuyển chất ban đầu thành những sản phẩm

giống nhau thì hiệu ứng nhiệt tổng cộng theo cách nào cũng như nhau ’’

Nói khác đi : nghĩa là hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm chứ không phụ thuộc vào đường đi VD: có rất nhiều cách để chuyển 1 mol Na, 0,5 mol H2, 0,5 mol O2, thành một mol NaOH và hiệu ứng nhiệt tổng cộng của cách nào cũng bằng: -102.0 kcal

Cách 1:

Na(r) + 1/2O2 (k)  1/2Na2O2(r) ∆H1=-60,3 kcal

1/2H2(k) + 1/4O2(k)  1/2H2O(l) ∆H2 =-34,1 kcal

1/2Na2O2 + 1/2H2O(l)  NaOH(r) + 1/4O2(k) ∆H3 = -7,6kcal

Tổng cộng: Na(r) + 1/2O2 (k) + 1/2H2(k) NaOH(r) ∆H = ??

Thì ta có: ∆H = -60,3 - 34,1 - -7,6 =-102,0 kcal

Cách 2:

H2(k) + 1/2O2(k)  H2O(l) ∆H1=-68,3 kcal

Na (r) + H2O(l)  NaOH + 1/2H2 ∆H2=-33,7kcal

Tổng cộng: Na(r) + 1/2H2 (k) + 1/2O2(k) NaOH (r) ∆H=??

Ta có: ∆H=-68,3-33,7=-102,0kcal

Chú ý:

Entanpi một chất được tính với một mol chất đó Biến thiên entanpi tính được từ entanpi của các chất ở diều kiện chuẩn được gọi là biến thiên entanpi chuẩn và được kí hiệu là ∆H0 hoặc khi chú ý cả nhiệt độ nữa thì được kí hiệu là ∆H0

298.

+ Đối với các khí, trạng thái chuẩn là trạng thái khí lí tưởng ở áp suất 1 atm

+ Đối với các chất rắn và các chất lỏng, trạng thái chuẩn là trạng thái của chất tinh khiết

+ Nhiệt độ thường được lấy là 250C = 2980K

2.2.4.2 Hệ quả của định luật Hess.

 Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm trừ tổng nhiệt tao thành của các chất ban đầu (có kể cả hệ số )

∆H=Σ∆Htt(sản phẩm)- Σ∆Htt(tác chất)

Vd:CaCO3(r) CaO(r) +CO2 (k) ∆H = ?

Giải

∆H = Σ∆Htt(CaO) + Σ∆Htt(CO2 ) - Σ∆Htt (CaCO3)

= -151,9 - 91,4 + 288,5 = 42,5 kcal

=> Nung vôi là quá trình thu nhiệt

Hiệu ứng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy các chất đầu trừ đi tổng nhiệt đốt cháy của các chất sản phẩm (có kể cả hệ số )

∆H =Σ∆Hđc(tác chất ) - Σ∆Hđc(sản phẩm )

Vd: CH3COOH(l)+C2H5OH(l)CH3COOC2H5 + H2O ∆H = ?

∆H = ∆Hđc(CH3COOH) + ∆Hđc(C2H5OH) -∆Hđc(CH3COOC2H5)

= -208,2 - 326,7 + 545,9 = 11 kcal

2.2.4.3.Ứng dụng của định luật Hess.

• Tìm hiểu hiệu ứng nhiệt của một số phản ứng không thể xác định bằng thực nghiệm

Vd: C(r) + 1/2O2 (k) CO(k)

(Than chì )

Biết rằng:

C(r) + O2 (k)  CO2 (k) ∆H= -94,1 kcal

Than chì

CO (k) + 1/2 O2 (k)  CO2(k) ∆H = -67,7 kcal

Giải

Theo định luật Hess ta có:

∆H - ∆H2 = ∆H1

Vậy ∆H1=-94,1+67,7 = -26,4 kcal

• Tìm nhiệt tạo thành của một chất

Vd: tìm nhiệt tạo thành của rượu etylic từ các dữ kiện:

C2H5OH(l) + 3O2(k) CO2 (k) + H2O(l) ∆H = -327 kcal

0 -94 kcal -63,8 kcal

∆Htt = ?

Áp dụng hệ quả 1 của định luật Hess ta có:

∆H = 2 x (-94) + 3 x (-68,3) - ∆Htt (C2H5OH) = -327 kcal

Rút ra: ∆Htt (C2H5OH) = 2 x (-94) + 3 x (-68,3) – (-327) = -65,9 kcal

• Định năng lượng liên kết

∆H=Σ∆Hlk(tác chất )- Σ∆Hlk(sản phẩm)

Vd: Định năng lượng trung bình của các liên kết O-H trong phan tử nước, biết rằng năng lượng liên kết H-H và O-O tương ứng lần lượt là 435,9 và 498 kJ

Giải:

H2(k) + O2(k)  H2O(k) ∆H = -483,68 kJ

==> - 483,68 = 2(+435,9) + 498,7 - 4×∆Hlk(O-H )

==>∆Hlk(O-H ) = ¼(2×435,9 + 498,7 + 483,68 ) = 463,545 kJ

• Xác định năng lượng mạng lưới của tinh thể

Năng lượng mang ion là năng lượng tạo thành mạng ting thể hợp chất từ các ion của trạng thái khí

Ví dụ: Năng lượng mang ion của tinh thể NaCl chính là hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Na+ + Cl-  NaCl (r) ∆H = ?

Từ các dữ kiện sau,ta có thể tính được năng lượng mạng ion của tinh thể NaCl:

Nhiệt thăng hoa của Na:

Na(r) = Na(k) ∆H1 = 20,64 kcal

Năng lượng liên kết của Cl2:

½ Cl2(k) = Cl(k) ∆H2 = ½ ×58 kcal

Ái lực electron của Clo:

Cl(k) - e- = Cl- (k) ∆H3 = -83,17kcal

Năng lượng ion hóa Na:

Na(k) - e- = Na+(k) ∆H4 = +119,98 kcal

Năng lượng mạng ion:

Na+(k) + Cl-(k) =NaCl (r) ∆H0 = ?

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Na (r) + ½ Cl2 (k)  NaCl (r) ∆H = -98,23 kcal

Theo định luật Hess ta có:

∆H1 + ∆H2 + ∆H3 + ∆H0 = ∆H

Từ đó ta có năng lượng mạng tinh thể ion muối ăn:

∆H0 = -184,68 kcal

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo một số ý kiến từ các sách, báo , tạp chí nhằm phục vụ cho việc học tạp

và làm bài tiểu luận này

Làm theo những gì mà thầy đã hướng dẫn cho

Vận dụng các kiến thức về hóa học mà mình sẵn có để làm nên bài tiểu luận này.và tìm hiểu thêm những gì mình chưa biết để nhằm mục đích có kiến thức để hoàn thành bài tiểu luận

3 Kết luận

Qua đề tài này thì đã giúp cho tôi hiểu rõ thêm về hiệu ứng nhiệt của phản ứng học

Biết cách nhận dạng các loại phương trình đó là loại gì (loại phản ứng sinh nhiệt hay hay là phản ứng đốt cháy

Tính được một số bài toán hóa học về phần hiệu ứng nhiệt này

Có thể giải thích được cho mọi người vói những câu hỏi nằm trong tầm kiểm soát của bản thân

4 Tài liệu tham khảo

[1] (2009), hóa học 1 Đại học công nghiệp tp Hồ Chí Minh, khoa công nghệ hóa.

[2] Nguyễn Đức Chung (2002),hóa học đại cương

Mục lục

1 Phần mở đầu 1

l.1.Lý do chọn đề tài 1

1.2.Tầm quan trọng để tiến hành chọn đề tài 1

1.3.Phạm vi nghiên cứu 1

2.Nội dung 2

Chương 1: Tổng quan 2

Chương 2: Đối tượng, nội dung,và phương pháp nghiên cứu 2

2.1 Đối tượng nghiên cứu 2

2.2 Nội dung nghiên cứu 3

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng 3

2.2.2 Phương trình nhiệt hóa học 3

2.2.3 Các loại nhiệt thường gặp 4

2.2.4 Định luật Hess và các hệ quả ứng dụng của định luật Hess 5

2.2.4.1 Định luật Hess(1812-1850) 5

2.2.4.2 Hệ quả của định luật Hess 6

2.2.4.3 Ứng dụng của định luật Hess 7

2.3 Phương pháp nghiên cứu 9

3 Kết luận 10

4 Tài liệu tham khảo 11