Nhiệt động hóa học và ứng dụng của nó trong công nghiệp

Về sau các dạng khác của năng lượng điện, từ, hóa học, bức xạ,… mới dần dần được đưa vào lĩnh vực nghiên cứu của nhiệt động lực học.. Nhiệt động học hóa học là khoa học nghiên cứu các ứn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

1 Nhiệt động hóa học 4

1.1 Cơ sở nhiệt động hóa học 4

1.2 Những nhà bác học và đóng góp của họ trong nhiệt động hóa học 5

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) 6

Robert Von Mayer (1814-1878) 6

William Thomson(1824-1907) 7

Mikhai Lomonosov (1711-1765) 7

Rudolf Clausius (1822-1888) 8

Hermann Von Helmholtz (1821-1894) 9

Harry Hammond Hess (1906-1969) 9

Walther Hermann Nernst (1864 -1941) 10

Ilya Prigonine(1917) 10

2 Động hóa học 11

2.1 Cơ sở động hóa học 11

2.2 Các nhà bác học và những đóng góp của họ trong sự phát triển động hóa học 11

Van't Hoff (1852-1911) 11

* Học thuyết xúc tác trong giai đoạn đầu đến năm 1834 12

* Giai đoạn từ năm 1835 đến 1887 13

W Ostwald(1853-1932) 14

* Giai đoạn từ năm 1888 đến 1918: Xúc tác công nghiệp ra đời 14

Fritz Haber(1868-1934) 14

* Giai đoạn từ năm 1918 đến 1945: Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu .15

Lewis(1882-1975) 16

* Giai đoạn từ năm 1946 đến năm 1970: Xúc tác cho công nghiệp hóa dầu 16

Giulio Natta(1903-1979) 17

Geoffrey Wilkinson(1921-1996) 18

* Giai đoạn từ năm 1970 đến hết năm 2000 18

3 Hóa phóng xạ 20

3.1 Cơ sở hóa phóng xạ 20

3.2 Các nhà bác học và những đóng góp của họ cho hóa học phóng xạ 20

Roentgen(1845-1923) 20

Henri Becquerel(1852-1908) 21

Pierre Cuire(1859-1906) 22

Frederick Soddy (1877-1956) 22

Otto Hahn (1879-1968) 23

Irene và Frederic Joliot-Curie 23

4 Điện hóa học 25

4.1 Cơ sở điện hóa học 25

4.2 Các nhà bác học và những đóng góp của họ trong sự phát triển điện hóa học 25

Alessandro Volta (1745-1827) 25

Michael Faraday(1891-1967) 26

Jaroslav Heyroský(1890-1967) 26

Con người đặt chân lên Mặt trăng 27

KẾT LUẬN 28

LỜI MỞ ĐẦU

“Vũ trụ chỉ là vật chất vận động…”

"vật chất là phạm trù triết học dùng để chỉ thực tại khách quan được đem lại cho con người trong cảm giác, được cảm giác của chúng ta chép lại, chụp lại, phản ánh và tồn tại không lệ thuộc vào cảm giác".

V.I LÊNIN

Trong quá trình phát triển của hóa học từ thời sơ khai cho đến hiện tại đã có nhiều khám phá quan trọng, đặc biệt khi hóa học trở thành một ngành khoa học độc lập thì những thành tựu càng đi đúng hướng và ngày càng có nhiều khám phá, phát minh quan trọng làm thay đổi thế giới, thay đổi con người Hóa học là môn khoa học tự nhiên nghiêncứu kết hợp và phân ly của các chất ở mức độ phân tử, là bộ môn khoa học để nhận thức

và cải tạo tự nhiên vô cùng quan trọng mà con người luôn luôn sử dụng trong suốt chặng đường tiến lên xã hội văn minh Trước khi khoa hjc hóa học ra đời thì hóa học thực

nghiệm đã xuất hiện từ thời cổ đại Ai Cập Như cách đây 3000 năm trước công nguyên đã xuất hiện các ngành sản xuất thủy tinh, men, gốm, sứ, đồng, chì, bạc,…trải qua một thời gian dài thì đến thế kỉ 19 đã có bước phát triển mạnh và phân hoá thành nhiều ngành độc lập, trong đó có hóa lý Như chúng ta đã biết hóa lý là ngành học của hóa học nghiên cứu các quá trình hóa học theo phương diện và học thuyết của vật lý Hóa lý học hiện đại dựa trên nền tảng của vật lý Trong các lĩnh vực nghiên cứu của hóa lý phải kể đến: nhiệt độnghọc, động hóa học,điện hóa học và hóa phóng xạ Qua bài tiểu luận này hi vọng chúng ta

sẽ hiểu sâu hơn về quá trình hình thành và phát triển của hóa lý từ thế kỉ 19 đến 20 cũng như các đóng gớp to lớn của các nhà khoa học

1 Nhiệt động hóa học

Trong lịch sử, trước yêu cầu cấp bách của sức sản xuất, nhiệt động lực học đã xuất hiện đầu tiên như một ngành nghiên cứu chuyển nhiệt ra công(máy hơi nước) Về sau các dạng khác của năng lượng( điện, từ, hóa học, bức xạ,…) mới dần dần được đưa vào lĩnh vực nghiên cứu của nhiệt động lực học Như vậy nhiệt động lực học khôngchỉ nghiên cứu những hiện tượng nhiệt, tuy nhiên, đối với những hiện tượng khác, nó tiến hành nghiên cứu theo quan điểm những đặc điểm của dạng vận động nhiệt

1.1 Cơ sở nhiệt động hóa học

Môn nhiệt động lực học được xây dựng thành một môn độc lập vào khoảng giữa thế kỉ 19, chủ yếu dựa vào hai định luật cơ bản hay còn gọi là nguyên lý thứ nhất và thứhai nhiệt động lực học Hai nguyên lý này là sự tổng quát hóa kinh nghiệm nhiều thế kỉ của loài người Cả hai đều được thừa nhận như những tiên đề không thể chứng minh bằng lý thuyết nhưng sự đúng đắn của chúng được xác nhận ở chỗ không một hệ quả nào có thể rút ra một cách logic từ những nguyên lý đó mà mâu thuẩn với thực nghiệm

Nguyên lý thứ nhất biểu thị mặt định lượng của định luật bảo toàn và chuyển hóa

năng lượng ở những hệ vĩ mô có liên quan đến những hiện tượng nhiệt Định luật khẳng định rằng năng lượng luôn được bảo toàn Nói cách khác, tổng năng lượng của một hệ kín là không đổi Các sự kiện xảy ra trong hệ chẳng qua là sự chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác Như vậy năng lượng không thể sinh ra từ hư không, nó luôn biến đổi trong tự nhiên Trong toàn vũ trụ, tổng năng lượng không đổi, nó chỉ có thể chuyển từ hệ này sang hệ khác Người ta không thể "tạo ra" năng lượng, người ta chỉ

"chuyển dạng" năng lượng mà thôi

Nguyên lý thứ hai là định luật về entropi, cho phép xác định chiều diễn biến của các

quá trình trong tự nhiên và những điều kiện của cân bằng nhiệt động Nguyên lý này phát biểu rằng entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng, hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên

Từ đó dẫn đến định luật là không thể chuyển từ trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tựnếu không có sự can thiệp từ bên ngoài

Hai nguyên lý trên đủ để xây dựng cơ sở cho động lực hóa học và cho những ứng

dụng vô cùng phong phú của môn này Phụ thêm vào chúng còn một nguyên lý nữa đó là: Nguyên lý ba, hay nguyên lý Nernst, còn gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối, đã từng

được bàn cãi nhiều nhất, gắn liền với sự tụt xuống một trạng thái lượng tử cơ bản khi nhiệt

độ của một hệ tiến đến giới hạn của độ không tuyệt đối Định luật này được phát biểu như

sau: “Trạng thái của mọi hệ không thay đổi tạinhiệt độ không tuyệt đối(0°K)”.Nguyên lý

này được xây dựng ở đầu thế kỉ 20 Nó không có tính tổng quát như hai nguyên lý trên nhưng cần cho nhiều bài tính về cân bằng hóa học

Còn có một định luật thực nghiệm đôi khi gọi là nguyên lý số không của nhiệt độnglực học Định luật này là cơ sở cho sự xây dựng những thang đo nhiệt độ khác nhau.

Nhiệt động học là môn khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng, đặc biệt là các quy luật liên quan tới biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác và những biến đổi qua lại giữa các dạng năng lượng đó

Nhiệt động học hóa học là khoa học nghiên cứu các ứng dụng của nhiệt động học vào hóa học để tính toán thăng bằng về năng lượng và rút ra một số đại lượng làm tiêu chuẩn để xét đoán chiều hướng của một quá trình hóa học, hóa lý

1.2 Những nhà bác học và đóng góp của họ trong sự phát triển nhiệt động hóa

người Đức Gabriel Fahrenheit (1686-1736) - người đã đề xuất ra thang đo nhiệt độ đầu

tiên mang tên ông Trong thang nhiệt này, 32 độ F và 212 độ F là nhiệt độ tương ứng với

thời điểm nóng chảy của nước đá và sôi của nước Nhà bác học Thụy Sĩ Anders Celsius

(1701-1744) cũng xây dựng nên một thang đo nhiệt độ đánh số từ 0 đến 100 mang tên ôngdựa vào sự giãn nở của thủy ngân

Những nghiên cứu tiếp theo liên quan đến quá trình truyền nhiệt giữa các vật thể Nếu

như nhà bác học Daniel Bernoulli (1700-1782) đã nghiên cứu động học của các chất khí

và đưa ra liên hệ giữa khái niệm nhiệt độ với chuyển động vi mô của các hạt Ngược lại,

nhà bác học Antoine Lavoisier (1743-1794) lại có những nghiên cứu và kết luận rằng quá

trình truyền nhiệt được liên hệ mật thiết với khái niệm dòng nhiệt như một dạng chất lưu.Tuy nhiên, sự ra đời thật sự của bộ môn nhiệt động học là phải chờ đến mãi thế kỉ thứ

19 với tên của nhà vật lý người Pháp Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832) cùng

với cuốn sách của ông mang tên "Ý nghĩa của nhiệt động năng và các động cơ ứng dụngloại năng lượng này" Ông đã nghiên cứu những cỗ máy được gọi là động cơ nhiệt: một hệnhận nhiệt từ một nguồn nóng để thực hiện công dưới dạng cơ học đồng thời truyền mộtphần nhiệt cho một nguồn lạnh Chính từ đây đã dẫn ra định luật bảo toàn năng lượng(tiền đề cho nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học), và đặc biệt, khái niệm về quá trìnhthuật nghịch mà sau này sẽ liên hệ chặt chẽ với nguyên lý thứ hai Ông cũng bảo vệ cho ýkiến của Lavoisier rằng nhiệt được truyền đi dựa vào sự tồn tại của một dòng nhiệt nhưmột dòng chất lưu

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)

Những khái niệm về công và nhiệt được nghiên cứu kĩ lưỡng bởi nhà vật lý người

Anh James Prescott Joule (1818-1889) trên phương diện thực nghiệm và bởi nhà vật

lý người Đức Robert Von Mayer (1814-1878) trên phương diện lý thuyết xây dựng từ

cơ sở chất khí Cả hai đều đi tới một kết quả tương đương về công và nhiệt trong nhữngnăm 1840 và đi đến định nghĩa về quá trình chuyển hoá năng lượng Chúng ta đã biếtrằng sự ra đời của nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là do một công lao to lớn của

Mayer.

Nhà vật lý người Pháp Émile Clapeyron (1799-1864) đã đưa ra phương trình trạng

thái của chất khí lý tưởng vào năm 1843

Tuy nhiên, chỉ đến năm 1848 thì khái niệm nhiệt độ của nhiệt động học mới đượcđịnh nghĩa một cách thực nghiệm bằng kelvin bởi nhà vật lý người Anh, một nhà quí

tộc có tên là Sir William Thomson hay còn gọi là Lord Kelvin (1824-1907).

William Thomson(1824-1907)

Chúng ta không nên nhầm lẫn ông với nhà vật lý cùng họ Joseph John Thompson

(1856-1940), người đã khám phá ra electron và đã phát triển lý thuyết về hạt nhân.Định luật bảo toàn khối lượng chính là nội dung của nguyên lý 1, được phát hiện

bởi Nhà bác học người Nga Mikhai Lomonosov (1711-1765) và sau này đưoc phát

triển trong nhiệt động học là định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: “Nănglượng không tự nhiên sinh ra, không tự nhiên mất đi, nó chỉ chuyển từ dạng này sangdạng khác”

Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học đã được giới thiệu một cách gián tiếp trong

những kết quả của Sadi Carnot và được công thức hoá một cách chính xác bởi nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius (1822-1888) - người đã đưa ra khái niệm entropy vào những

Cũng cần phải nhắc đến nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann (1844-1906), người

đã góp phần không nhỏ trong việc đón nhận entropy theo quan niệm thống kê và phát triển

lý thuyết về chất khí vào năm 1877 Tuy nhiên, đau khổ vì những người cùng thời khônghiểu và công nhận, ông đã tự tử khi tài năng còn đang nở rộ Chỉ đến mãi về sau thì têntuổi ông mới được công nhận và người ta đã khắc lên mộ ông, ở thành phố Vienne, côngthức nổi tiếng W = k.logO mà ông đã tìm ra

Riêng về lĩnh vực hoá nhiệt động, chúng ta phải kể đến tên tuổi của nhà vật lý, hóa học

người Hà Lan J.H Van’tHoff (1885), nhà vật lý Đức Hermann Von Helmholtz 1894) và nhà vật lý Mỹ Willard Gibbs (1839-1903) Chính Gibbs là người đã có những

(1821-đóng góp vô cùng to lớn trong sự phát triển của vật lý thống kê, ông đã có nhiều (1821-đóng góptrong việc nghiên cứu lí thuyết cân bằng, đưa ra khái niệm năng lượng tư do hay còn goi

là năng lượng Gibbs Từ đó ông đã nghiên cứu cân bằng pha và đưa ra quy tắc pha nổitiếng, và chính ông đã xây dựng biểu đồ tam giác để biểu diễn thành phần hệ 3 cấutử.Hàm Gibbs còn có một ý nghĩa quan trọng trong hóa học, là thước đo đúng đắn cho áilực hóa học

Hermann Von Helmholtz (1821-1894) Willard Gibbs (1839-1903)

Năm 1840, nhà bác học người Nga Harry Hammond Hess (1906-1969) đã đưa ra

định luật mang tên ông: “Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học không phụ thuộc vàođường đi mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng tahsi cuối của các chất phản ứng”.Định luật này được Hess thiết lập đầu tiên năm 1836 dựa trên cơ sở thực nghiệm trước khi

ra đời nguyên lý I Tuy nhiên, ta có thể chứng minh được rằng định luật Hess là hệ quảcủa nguyên lý I

Harry Hammond Hess (1906-1969)

Walther Hermann Nernst (1864 -1941) là nhà hóa học nổi tiếng người Đức Ông đoạt Giải Nobel Hóa học năm 1920 nhờ công trình khoa học sau: Nghiên cứu, tính toán

về ái lực hóa học và nguyên lý 3 của nhiệt động lực học hay nguyên lý Nernst, còn gọi là nguyên lý độ không tuyệt đối

Walther Hermann Nernst (1864 -1941)

Cuối cùng, để kết thúc lịch sử của ngành nhiệt động học, xin được nhắc đến nhà vật lý

người Bỉ gốc Nga Ilya Prigonine (sinh năm 1917) - người đã được nhận giải Nobel năm

1977 về những phát triển cho ngành nhiệt động học không cân bằng

Ilya Prigonine(1917)

Người ta phân biệt động hóa học hình thức và động hóa học lý thuyết Ðộng hóa họchình thức chủ yếu thiết lập các phương trình liên hệ giữa nồng độ chất phản ứng với hằng

số tốc độ và thời gian phản ứng, còn động hóa học lý thuyết dựa trên cơ sở cơ học lượng

tử, vật lý thống kê, thuyết động học chất khí tính được giá trị tuyệt đối của hằng số tốc độphản ứng Ðó là thuyết va chạm hoạt động và phức hoạt động

2.2 Các nhà bác học và những đóng góp của họ trong sự phát triển động hóa học

Ðộng hóa học hình thành từ nửa cuối thế kỷ XIX trên cơ sở nghiên cứu các phản ứng

hữu cơ trong pha lỏng Những người đầu tiên trong lĩnh vực này là Wilamson, Wilhelmy (1812 - 1864) và các tác giả của định luật tác dụng khối lượng, Guldberg (1836 - 1902)

trong đó đã đưa ra khái

niệm về năng lượng

hoạt động hóa và giải

thích ý nghĩa của bậc

phản ứng trên cơ sở của

thuyết động học Van't Hoff (1852-1911) Arrhenuis (1859-1927)

Khái niệm về xúc tác được Berzlius đưa vào khoa học 1835 Ostwald đã có nhiều đóng góp trong lĩnh vực này, ông đã đưa ra định nghĩa chất xúc tác Năm 1905 Silov đưa

ra lý thuyết về phản ứng liên hợp Phản ứng quang hóa được nghiên cứu trong các công

trình của B.Denstein (1871 - 1942), Einstein (1879 - 1955), Nernst Phản ứng dây chuyền được Semenov (1896) và Hinshelwood (1879 - 1967) nghiên cứu từ khoảng năm

1926, đưa đến hình thành lý thuyết phản ứng dây chuyền

Trong những năm 1930, trên cơ sở các công trình nghiên cứu của Eyring, Evans và Polani đã hình thành lý thuyết tốc độ tuyệt đối của phản ứng hóa học.

Nhiều nhà hoá học quan tâm đến vấn đề tốc độ phản ứng hóa học Tiên phong cho vấn

đề này là A Uyliamxon, L.F Wilhelmy và C.L Berthollet nhưng không đi đến kết quả

rõ ràng Đến năm 1867, hai nhà nghiên cứu Thụy Điển là C.M Gulberg và P Waage mới

tìm ra ảnh hưởng của khối lượng(tức nồng độ) đến tốc đọ phản ứng và phát biểu định luậttác dụng cân bằng phản ứng Vấn đề này được các nhà bác học nghiên cứu ở thế kỉ 20 và

có nhiều ứng dụng to lớn cho đến ngày nay

Xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất Theo truyềnthống thì lịch sử phát triển của hóa học xúc tác thế kỉ 19-20 trải qua 6 giai đoạn:

Học thuyết xúc tác trong giai đoạn đầu đến năm 1834

Trong thời kì đầu hai nhà bác học Fulhame(1794) và Kirchhoff(1812) cho thấy

xúc tác không thay đổi trong phản ứng hóa học

Các nhà bác học H Davy(1817), Erman(1818), Dobreiner(1822) nghiên cứu phản

ứng giữa oxygen và hydrogen trên xúc tác platin do H

Nhà hóa học Henry (1825) nghiên cứu nhiễm độc xúc tác platin bởi dẫn xuất lưu huỳnh.

Nhà hóa học Phillips phát triển quá trình xúc tác thương mại đầu tiên, oxi hóa khí

SO2 trên xúc tác platin M Faraday nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý ban đầu,

nhiễm độc và phục hồi xúc tác platin trên phản ứng của oxy và hydro

Năm 1835, Berzelius phân tích hệ thống các kết quả và đưa ra thuật ngữ Catalysis,

mở ra một kỷ nguyên mới cho khoa học xúc tác

Berzelius(1779-1848) Giai đoạn từ năm 1835 đến 1887

Giai đoạn này đánh dấu bằng những nghiên cứu hệ thống, phát minh các quá trình

xúc tác mới, và nhận thức sâu hơn về phản ứng hóa học.Năm 1850, Wilhelmy chứng tỏ

tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây phát hiện tính thuận nghịch củaphản ứng hóa học

Năm 1862, Berthollet và Pean Gilles cho thấy tốc độ phản ứng este hóa tỷ lệ với

nồng độ axit

Năm 1864, C.M Gulberg và P Waage thiết lập định luật tác dụng khối lượng Năm 1877, Lemoine cho thấy chất xúc tác giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng.

W Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc

độ hay kiềm hãm phản ứng mà thôi Ông đạt giải Nobel Hóa học năm 1909 về lĩnh vực

xúc tác Ostwald viết: “Không có phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng của xúc

tác” Giai đoạn này cũng chứng kiến hàng trăm quá trình xúc tác mới ra đời

W Ostwald(1853-1932)

Giai đoạn từ năm 1888 đến 1918: Xúc tác công nghiệp ra đời

Sự phát triển của kiến thức hàn lâm chuyển sang nhứng ứng dụng công nghiệp Năm

1888, Knietsch phát triển hỗn hợp xúc tác Platin và Vanadium (V) Oxide cho quá trình

sản xuất công nghiệp H2SO4

Quá trình tổng hợp ammoniac quan trọng nhất

từ năm 1902 đến 1905 trên cơ sở Fe cho quá trình

sản xuất ở nhiệt độ cao và áp suất cao

Fritz Haber(1868-1934)

Năm 1906, Ostwald th c hi n oxi hóa ammoniac (NH3) thà18nh Acid nitric ực hiện oxi hóa ammoniac (NH3) thà18nh Acid nitric ện oxi hóa ammoniac (NH3) thà18nh Acid nitric (HNO3) v i h n h p xúc tác Platin và Rhodium (Rh) NH3 ch y u làm phân bón ợp xúc tác Platin và Rhodium (Rh) NH3 chủ yếu làm phân bón ủ yếu làm phân bón ếu làm phân bón

nh ng nh quá trình này có th dùng làm s n xu t ch t n ph c v Chi n tranh ể dùng làm sản xuất chất nổ phục vụ Chiến tranh ản xuất chất nổ phục vụ Chiến tranh ất chất nổ phục vụ Chiến tranh ất chất nổ phục vụ Chiến tranh ổ phục vụ Chiến tranh ục vụ Chiến tranh ục vụ Chiến tranh ếu làm phân bón

Th gi i th nh t.ếu làm phân bón ứ nhất ất chất nổ phục vụ Chiến tranh