Cơ sở lí thuyết hoá học dùng cho các trường đại học kĩ thuật phần 2, nhiệt động hoá học, động hoá học, điện hoá học

sủa chữa và hổ sung.. Trong khi biớn soạn, tác già dâ c ổ gắng quán m ột mục đích, nội dung và phương pháp CÌ14 m ôn học.. đ éu .suy ra từ ba nguyổn lí chủ yếu là nguyôn lí I và II... N

— —— 21/322-05 Mà số : 7K1UT5-TTS

(il) -05

LÒI NÓI ĐẦ U

(Cho làn x u á t bản th ứ hai)

Theo chủ trư ơ n g củ a bộ Giáo dục và Đào tạo, tro n g

n h ữ n g n ă m tới nội d u n g và phư ơ ng pháp củ a các m ôn học giàng dạy ở giai đoạn I tro n g các trư ờ n g đại học kỉ t h u ậ t cần phải sử a đổi cho p h ù hợp với trìn h độ t h ế giới, đặc biệt là củ a các nước p h á t tr iể n tr o n g k h u vực và phù hợp với chương tr ìn h cài cách giáo dục ở bậc phổ thông T rong lúc chờ Bộ ban h à n h chương t r ì n h mới, để phục vụ kịp thời việc học tậ p củ a sin h viên t r o n g 2 n ă m tới chúng tôi cho tái bàn (cò chỉnh lí) cuốn "Cơ sở lí th u y ế t H ó a học -

P h ẩ n II)

Trong lấ n x u á t bản này, nội d u n g và bố cục cuốn sách

vể cơ b à n vẫn giữ nguyên, c h ú n g tôi chỉ sử a lại các số liệu

và đáp số các bài tập, viết lại m ộ t số chỗ m à lán x u ấ t bàn trư ớ c viết q u á ván tá t, đ ể b ạ n đọc dể theo dồi, so ạn th êm

m ột số bài tậ p và m ột số th í dụ coi n h ư bài tậ p mẫu

H a N ộ i 5 -8 -9 2

NGUYẾN HẠNH

v ã d ộn g hóa h ọ c là ba phường pháp nghiốn cứu c ơ bàn cửa hóa h ọc hiộn đại ngày càng

đ ư ợ c sự dụng rộng rãi và c ó hi-ộu quà irong hỏa hục vô co , hữu cơ, phân lích đã lách ra Idiôi hóa lí và trỏ Ihành những m ôn h ọc đ ộ c lập.

I Ịóa h ọ c hiỌn đại xâm nhập vào m ọi lĩnh vực của đòi sốn g con ngưòi và các ngành kinh [ế q u ốc d ân dư ỏi dạng :

- C ung cáp các vật liệu, đ ặ c biẽt là các vật liộu có tô hợp các tính chái kĩ thuậi phức

tạ p m ong m uổn (vậi liộu co m p o sile ), các sàn phầm hóa học

• - A p dụng và phát triôn lí thuyếl cùa các quá trình hóa học nhằm nâng cao năng suát

la o đ ộn g và chất lượng sàn phầm, tạo ra những cô n g nghộ mói c h o các ngành kĩ thuật.

- C h é biến c á c n gu yen liệu thiẻn nhiên, xù lí các chất thài, b ảo v ệ môi trường.

C hính ỏ các m ảnh đ ất này, c á c nhà vật lí học, toán học, hóa h ọc và các nhà kĩ thuật

ỏ các lĩnh vực khác đã gặp nhau và cùng nhau giải quyết các vấn đ é d o Ihực tế đ ể ra;

Sự phát triên cùa h óa h ọc và sự xâm nhập của nó vào các ngành kinh tế đ òi hỏi phải cài cách nội đung và phương pháp giâng dạy hóa h ọc ò c á c trường dại h ọc nói chung và

kĩ thuậl n ói riẽng.

DỒ thực h iện ch ư ô n g trình I v ề cải cách đ à o tạ o củ a Bộ Đại h ọc và Trung h ọc chuyên nghiệp (nay là B ộ G iá o d ụ c và D à o tạ o ), từ năm 1987 V ụ c á c tn iò n g đại h ọc đã tổ chức

và chỉ d ạ o v iệ c xây dựng chư ơng trình hóa h ọc dạy ò giai đ oạn I trong các trtlòng đại học

kí thuật.

M ô n h ọ c CÖ sỏ l í thuyết cùa hóa h ọ c ra đ òi (Ihay c h o H ỏa học đại cương trước đây)

nhằm cu n g cấp c h o sin h v iê n những kiến thức cữ bản, cần thiết nhát của lí thuyết cù a hóa

h ọc hiện đ ạ i, trẽn c ơ s ỏ d ó h ọ có th ẻ h ọc các m ôn hóa h ọc khác (vô cơ, hữu co , phan tích ), c á c m ôn khoa h ọ c và kĩ thuật khác c ó liên quan tói h óa h ọc ỏ giai đ oạn II (vật liệu h ọ c, ô nhiễm m ôi trường và b ảo vộ môi truòng, cô n g nghệ kim loại ), giúp ngưòí kĩ

SƯ tưưng lai b iếl cách đ ặt vấn đ ể và phổi hợp với các nhà hóa h ọc cùng giải quyết những

vắn đ ể d o thực t ế d è ra.

D ó là những k iến thứ c Yé cáu lạ o ch ái, nhiệt đ ộn g hóa h ọc và đ ộn g hóa h ọc ỏ một trinh đ ộ nhắt định.

V iệ c đưa c ấ c nội d u n g trôn vào chUống irinh hốa h ọc ở dại h ọc khổng c ổ gì là mỏi

lạ C ó chăng, cái m ỏi ò đây là tính cơ bàn, tính hiện dại, tính khoa h ọc và tính thực tế cùa chư ơng trinh ỏ m ức d ộ c a o hdn.

C u ố n sách này nhằm thẻ h iệ n h ọc phần II1 của chương trình (nhiệt đ ộn g cân bằng hóa h ọ c, d ộ n g hóa h ọ c), nó đư ợc viét th eo đ d n d ặ i hàng của V ụ các truòng đại h ọc và ( 1 ) H ọ c phẩn I : C áu lạ o ch ất d o P.G.S N gu yên D in h C hi viết.

5

tn iỏ c khi in tác già dã dũng nó d ò giàng dạy ch o sinh viôn K.33 (rìiOn khóa 1988- 198^) của irưòng Dại h ọc Bách khoa Hà Nội Q ua thực lổ giáng dạy và sinh hoạt hục thuậi tro n g

B ộ mftn H óa vổ cơ cơ bàn, tá c già dã rút kinh nghiÇm sủa chữa và hổ sung.

Trong khi biớn soạn, tác già dâ c ổ gắng quán m ột mục đích, nội dung và phương pháp

CÌ14 m ôn học.

D ẻ giúp bạn đ ọ c sủ dụng cuốn sách này c ó hiộu quả tác già xin lưu ý máy d iẻm sa u :

1 N hiột d ộ n g hóa h ọc là m ỏn khoa h ọ c suy d ién , d o đ ó m ọi kôt luận, hổ thúc1, đ ịn h

luật đ éu .suy ra từ ba nguyổn lí (chủ yếu là nguyôn lí I và II) Từ d ặ c đ iểm này rút ra :

- phương pháp học

- những cách rút ra các kết luận, hộ thức, định luật vé nhiột đ ộ n g hóa học không dựa v à o ba nguyẽn lí đ ẻu khỏng phải là phương pháp cùa nhiệt đ ộn g hóa h ọc và vổ nguyOn tắc là sai lẩm.

2 V iộ c đưa nhiệt đ ộ n g h óa h ọ c vào chư ông Irinh một cách tương đ ối c ó hệ thòng v à

ỏ một mức đ ộ nhát định giúp ch o viộc xây dựng các khái niệm, định luật, nguyẽn lí , phân

tích và giải Ihích các hiện tuợng một cách chặt chẽ, chính xác và nhấi quán

Bạn đ ọc c ó điốu kiện tham khảo các sách hóa đại cUdng nên d ặc biột lưu ý hai điôm ir ẽ a

3 Đ ẽ nâng c a o khả năng tự học, nhiểu vấn d ẻ trong lí Ihuyết tác giả ch ì nâu phương

hướng giải quyết Cách giải quyết cụ th ẻ lác già đua vào phẩn câu h ỏi ô n lậ p và bài lặp.

4 C hương trinh CÖ s ỏ lí thuyết cùa h óa h ọc là chung ch o tất c à c á c tn iò n g đại h ọc kĩ

thuật nhưng c ó nhũng phán rái cán đ ổi vói ngành này m à rát c ó Ihẻ là ít quan trọng đrti vói ngành khác D o đ ó khi biôn soạn, ỏ phán lí thuyết tác già chì trình bày những nội dung

c ơ bàn V iộ c khai í hác sâu hay nông được Ihề hiộn ỏ các câu hỏi ô n tập và bài lập.

C uốn sách này đư ợc biCn soạn lẩn đẩu tiên th eo chường trinh mỏi nCn chắc chắn cỏn

n h iả j thiếu só t, tác giả m o n g nhận d u ợ c các ý kiến phô binh xây dựng cù a các bạn dổng nghiộp, anh chị em á n h v iê n và c á c đ ộ c giâ.

Tac giả xin chân Ihành cảm ơn : V ụ các iruòn g đ ại học, H ội đ ố n g m ôn h ọc đâ tín nhiệm trao c h o nhiệm vụ v ié t cu ón sách này, N hà xuát bản Đ ại h ọc và G D C N đã g ó p ý kiến và tạ o điổti kiện ch o cu ốn sảch só m ra mắt đ ộ c giả, G s Đ àm Trung B ảo (tô tm ỏn g

bộ m ổn hóa truòng Dại h ọc D ược khoa Hà N ộ i), P.T s Phạm G ia D ũng (tỏ phó bộ mữn hóa trường D ại học G iao th õ n g vận tài H à N ộ i) đá đ ọ c và nhận xét, g ó p nhiổu ý kiến ch o bản thảo.

Tầc già xin bày t ỏ lòn g biết ơn đ òi vói ban chú nhiCm Khoa hóa c o bản tn iờn g D ại

h ọc Bách khoa H à N ội đă lạ o diổu kiộn ch o lác già hoàn thành bàn th ảo cu ố n sách này.

H à N ộ i 1 2 - 7 - 1 9 9 0

N G U Y Ễ N H Ạ N H

( 1 ) Trù hộ thức v é n h iệt dung mol.

N H IỆ T ĐỘNG HÓ A HỌC

N h iệ t d ộ n g học Là k h o a học n g h iẻn cứu các quy lu ậ t diều

k h iể n sự trao đồi n ă n g Lượng y dặc biệt n h ữ n g quy lu ậ t có liên

q u a n tói các bién dổi n h iệ t n ă n g thành cấc d ạ n g n ă n g lượng khác.

N h iệt động học là m ộ t n g àn h củ a v ậ t lí học, nó có t h ể được khảo sá t dưới hai q u a n đ iểm vĩ mô và vi mô,

N h iệ t d ộ n g học cổ đ iể n th iế t lập n h ữ n g hệ th ứ e chính xác,

giữ a n ă n g lư ợng và các tín h c h ấ t vĩ mô củ a hệ như th ể tích,

n h iệ t độ m à k h ô n g đòi hỏi n h ữ n g hiểu biết vể cấu tạo nguyên

từ , phân từ hoặc cơ c h ế củ a q u á trìn h Đây là m ặ t m ạ n h đổng thời cùng là m ặ t yếu củ a n h iệt động học cổ điển

Tính c h á t n h iệ t đ ộ n g củ a hệ vỉ mô vé nguyên tá c cố th ể tín h được nếu b iế t tín h c h ấ t củ a các nguyên tử và p h â n tử và xác

đ ịn h được các đ ịn h l u ậ t chuyển động và n ấ n g lượng tư ơ ng tá c

của^chúng Đó là đổi tư ợ n g cù a n h iệ t d ộ n g học th ố n g kẽ Nó cho

phép giải thích ý n g h ía v ậ t lí và tìm được giá trị tu y ệt đói của

n h ữ n g đại lư ợng n h iệ t động

N hiệt động học là m ộ t tro n g n h ữ n g phư ơ ng p h á p nghiên cứư

có hiệu q u ả n h ấ t và được sử d ụ n g rộ n g rã i tro n g hóa học Việc

áp d ụ n g n h iệt động học vào hóa học làm nẩy sin h n g àn h n h iệ t

nó được th ừ a n h ậ n bởi tín h lôgic củ a việc r ú t r a các hệ q u ả của

nó và n h ữ n g điểu m à nó tiê n đoán được th ự c nghiệm xác n h ận

N hiệt động hóa học không n h ữ n g cho phép tín h n à n g lượng tra o đổi tro n g q u á t r i n h p h à n ứng m à còn cho phép b ằ n g con

7

đ ư ờ n g tín h to á n d ự a vào các th ô n g số n h iệ t đ ộ n g tiê n đoán được

c h iể u c ủ a các p h ả n ứ n g h ó a học và giới h ạ n tự d iễ n biến c ủ a

n g h iê n cứu P h ẩ n còn lại gọi là m ô i trường.

R a n h giới g iữ a h ệ v à môi trư ờ n g có th ể là th ự c và cũng có

t h ể là tư ở n g tượng

H ệ t r a o đổi c h á t và n ã n g lư ợ n g với môi trư ờ n g q u a r a n h giới

được gọi là hệ m ỏ H ệ k í n là hệ k h ô n g tra o đổi c h ấ t với môi

trư ờ n g

H ệ không tra o đổi n h iệt với môi trường được gọi là hệ đoạn nhiệt.

H ệ cô lập là hệ không tra o đổi ch ất và n ã n g lượng với mồi trường.

2 Q u y ư ớ c v ề d ấ u t r o n g q u á tr ìn h tr a o đ ổ i n ã n g lư ợ n g.

N ă n g lư ợ ng tr a o đổi g iữ a hệ v à m ôi trư ờ n g có t h ể là cơ năng,

n h iệ t n ã n g , điện n ă n g , n ầ n g lư ợ ng bức xạ Các d ạ n g n ă n g lượng

n à y có t h ể biến đổi tr ự c tiế p h oặc gián tiếp cho n h a u Giữa cơ

n ă n g , v à n h iệ t n ă n g cò sự tư ơ n g đư ơ ng (Joule 1849)

T ro n g hệ th ó n g đo lư ờ n g quốc t ẽ (SI)* và hệ th ố n g đo lường hợp p h á p c ủ a N ư ớ c V iệt n a m d â n chủ cộng hòa (1965), lượng

cô n g w được tín h b ầ n g j u n (J).

1J = c ô n g do lự c b ằ n g 1 niu tơ n (N) th ự c h iện trê n một

q u ã n g đ ư ờ n g b ằ n g l m

C ô n g w v à n h i ệ t lư ợng Q đ é u được đo b ằ n g c ù n g m ột đơn

vị T ro n g h ó a học, đ ơ n vị th ư ờ n g được d ù n g đ ể đo n h iệt lượng

là calo (cal)

1 c a l = 4 ,1 8 3 5 J « 4,184 J

* X e m p h ụ lục 2

Quy ước vổ dấu tro n g q u á t r ỉ n h tra o đổi n á n g lư ợ ng dưới

d ạ n g b ấ t kỉ giữ a hệ và môi tr ư ờ n g n h ư sau :

- H ệ n h ậ n n á n g lượng : dấu +

Hệ n h ư ờ n g n ã n g lư ợng : d ấ u

-Theo quy ước này, n ế u hệ n h ậ n n h iệ t củ a m ôi tr ư ờ n g th ì Q

c ó d ấ u + và ngược lại- N hư t h ế c ô n g w và n h iệ t lư ợng Q là

n h ừ n g đại lư ợ ng đại số

3 T r ạ n g t h á i c ú a h ệ v à t h ồ n g s ố t r ạ n g t h á i.

T rạ n g th á i V I m ồ c ủ a hệ được x á c đ ịn h b ằ n g t ậ p hợp các t ín h

c h ấ t vĩ mô c ủ a nó có t h ể đo được t r ự c tiế p h a y g ián tiế p n h ư

n h i ệ t độ, áp su ấ t, t h ể tích, khói lượng, t h à n h p h ấ n h đ a học

N h ữ n g đại lượng này được gọi là các th ô n g số tr ạ n g thải.

Khi giữ a các th ô n g số t r ạ n g t h á i có sự liên hệ với n h a u b ằ n g các hệ th ứ c th ì t r ạ n g th á i củ a hệ sẻ được x ác đ ịn h k h ô n g p h ả i

b ằ n g t ấ t cả các giá t r ị củ a các th ô n g số t r ạ n g th á i c ủ a nò

Thí dụ đ ể xác đ ịn h t r ạ n g t h á i c ủ a m ộ t hệ k ín gổm m ộ t hón hợp khí chỉ cần cho g iá trị c ủ a ba tr o n g bốn th ô n g số t r ạ n g th á i riị, V và T vì các t h ô n g số t r ạ n g th á i n à y liên hệ với n h a u b ằ n g

hệ th ứ c :

P v = 2 n i R T

Có hai loại th ô n g số t r ạ n g th á i : d u n g độ v à c ư ờ n g độ

T h ô n g só trạ n g t h á i d u n g đ ộ là n h ữ n g th ồ n g số t r ạ n g th á i

tỉ lệ với khối lượng, th í dụ t h ể tích , khối lượng N h iệ t độ, á p

s u ấ t, n ố n g độ, độ nhớt k h ô n g p h ụ th u ộ c vào khói lư ợ n g là

n h ữ n g th ô n g só trạ n g th á i cường độ.

M ột hệ ỏ trạ n g th á i cản b à n g n h iệ t đ ộ n g k h i g iả trị c ù a các

th ô n g số trạ n g th á i ỏ m ọ i đ iể m của hệ p h ả i n h ư n h a u và k h ô n g

th a y đồi theo thời g ia n T rong t r ư ờ n g hợ p này tổ n tạ i đổng thờ i

cân bằng n h iệ t, cân b ằ n g cơ và c â n b ằ n g h ó a học

ở đây cần n h ấ n m ạ n h r ằ n g c â n b ằ n g hóa học là m ộ t c â n

b ằ n g đ ộ n g : p h ả n ứng hóa học t h u ậ n n g h ịc h k h ô n g d ù n g lại m à

th á i cân b à n g th ì sự biến đ ổ i dược gọi là th u ậ n nghịch.

G iữ a hai t r ạ n g th á i cân b ằ n g kế tiếp, g iá t r ị c ủ a các th ô n g

số t r ạ n g th á i khác n h a u vô cù n g nhỏ và h ệ có t h ể trở vẽ tr ạ n g

th á i c â n b ằ n g cũ khi th a y đổi giá t r ị củ a các th ô n g só t r ạ n g thái

m ộ t lượng vô c ù n g nhỏ M ặt khác ờ mỗi lúc, giá t r ị củ a các

th ô n g số t r ạ n g th á i c ủ a hệ chỉ k hác giá t r ị củ a các th ô n g số

t r ạ n g th á i củ a môi trư ờ n g n h ữ n g lư ợ ng vô cùng nhỏ

Biến đổi th u ậ n nghịch là m ộ t tr ư ờ n g h ợ p lí tưởng, tro n g thực

t ế không th ự c hiện được vỉ m ộ t sự biến đổi n h ư t h ế sè xảy ra

r ấ t lâu

C h ú n g t a coi n h ữ n g bién đ ồ i th u ậ n n g h ịc h là n h ữ n g biến đồi

th ự c h iệ n tro n g m ộ t kh o ả n g thời g ia n xá c đ ịn h , qua m ộ t dãy liên tiếp các trạ n g th á i cân bàng rát g ầ n n h a u N gược lại là sự biến đ ố i b á t th u ậ n n g h ịc h ,

N h ư vậy q u ả tr ìn h th u ậ n n g h ịc h là q u á tr ìn h căn bằng còn

q u á tr ìn h bát th u ậ n n g h ịc h là quả tr ìn h k h ô n g cản bằng, nghía

là quá tr ìn h tự x ả y ra.

5 H àm tr ạ n g th á i.

M ột h à m F (p, u, T ) dược gọi là m ộ t h à m trạ n g th á i néu

g iá trị của nó chi p h ụ thuộc vào các th ô n g số trạ n g th á i của hệ

m à k h ô n g p h ụ thuộc vào cách bién dổi của hệ Điéu này cố nghĩa

r ằ n g nếu hệ chuyển từ trạ n g thái 1 (Pj, Vp Tj) sang trạ n g thái 2 ( P 2, v 2, T2> th ì AF = F2 - F 1 chỉ p h ụ thuộc vào giá tr ị (Pj, Vp

T J ) và ( P 2, V^, T 2) chứ không phụ thuộc vào tín h c h ấ t của quá

t r in h biến đổi (th u ậ n nghịch hay b ấ t th u ậ n nghịch)

V é mật toán h ọ c đ iéu nãy c ó nghĩa rằng

dF= ( ỉ ) ydx+ ( * ) , dy

là m ột vi phân toàn phẩn đúng.

Vá J d!-'(x, y) = I \ ( x , , y2) - , y,)

nghĩa là g iá trị củ a lic h phân c h ỉ phụ th u ộ c v à o irạ n g Ihãi đầu và trạng ihái cuối

D o đ ó nếu hộ thực h iện m ột chu trinh k ín Ihì $ d F = 0

M ột tín h chái q u a n trọng nũa của vi p h â n loàn phẩn đ ú n g là :

1 A = 4

dy \ dx / ó x \ ởy J

Dễ r à n g th ẫy r ằ n g h à m PV là m ộ t h à m tr ạ n g th ái N h ư n g công cơ học w không phải là h à m t r ạ n g th á i vỉ giá t r ị của nó

p h ụ th u ộ c vào cách biến đổi T h ậ t vậy :

h ặ y tín h công d ã n nở củ a khí n ằ m tro n g xi lan h đóng kín

b ằ n g m ộ t p itô n g có tiế t diện s T á t cà được đ ặ t tr o n g m ộ t binhđiêu n h iệ t đ ể giữ cho n h iệ t độ k h ô n g đổi (hình 1)

Vì hệ sin h công nên theo q u y ước vé dẫu

<5W = -P_dVnĐối với m ộ t biến đổi hữu h ạ n (khi hệ c h u y ển từ t r ạ n g thái

Ngược lại nếu sự biến đổi là th u ậ n nghịch th ì áp s u ấ t của

khí n ằ m tr o n g xi lanh (P khj) à mọi lúc đéu k h ô n g khác với áp

w tn = - n R T ln ỹ

M ột tín h c h ấ t q u a n trọ n g n ữ a là công th ự c hiện tro n g biếnđổi th u ậ n nghịch là công cực đại Wmax

T h ậ t vậy công thự c hiện tro n g q u á trin h biến đổi th u ậ n nghịch

lí tư ở n g là diện tích được giới h ạ n bởi đ ư ờ n g cong (h 2)

p = ^khi “ V

Khi hệ c h u y ể n từ t r ạ n g th á i 1 s a n g t r ạ n g th á i 2 qua m ột dày liên tiếp các t r ạ n g th á i cân bàng tr u n g gian giống như khi hệ

c h u y ể n ngược lại từ t r ạ n g th á i 2 vé t r ạ n g th á i 1

Ta có t h ể c h u y ể n hệ từ t r ạ n g thái 1 s a n g t r ạ n g thái 2 bằng con dư ờ ng th u ậ n nghịch n h ư sau :

Khi hệ ở t r ạ n g th á i 1, áp s u ấ t của khỉ tro n g xi lanh cân bàng với áp s u á t củ a p itồ n g v à các vật nhỏ n ằ m t r ê n nó Khi t a lấy bớt 1 v ậ t n h ỏ đi

p ,

V, - V

- Vj) = -PịAV = diện tíchKhi đó hệ sinh công b ằ n g - P i (Vị

Công do hệ sin h r a tro n g q u á tr ìn h biến đổi th u ậ n nghịch- này b ằ n g diện tích được giới h ạ n bởi đ ư ờ n g bậc th a n g n ằ m dưới

ĩiRT

đư ờ ng hypecbon p = •" ụ — n g h ỉa là Wlbn < Wln

Ngược lại nếu t a n é n khí từ t r ạ n g th á i 2 vể t r ạ n g th á i 1 bàng cách th ê m d ầ n v ậ t nhò th ì công c ẩ n c u n g cho hệ tro n g trư ờ n g hợp n à y là diện tích củ a h in h được giới h ạ n bởi đư ờ ng bậc th a n g trên

Bây giờ n ế u t a c à n g ch ia nhỏ hơn n ữ a v ậ t n à m t r ê n pitông

th ì h a i đư ờ ng b ậc th a n g t r ê n sẽ tiế n d ầ n tớ i đường hypecbon và cuối c ù n g khi vật nhỏ cổ khối lư ợ ng vô c ù n g bé th ì hai đường

b ậc t h a n g này h ẩ u n h ư t r ù n g với đư ờ ng hypecbon và q u á trìn h biến đổi sẽ là th u ậ n nghịch

Vậy tr o n g q u á t r i n h biến đổi t h u ậ n n ghịch, công do hệ sinh

sẽ là cực đại và đ ú n g b à n g công cu n g cho hệ

CHƯƠ NG I

Á P D Ụ N G N G U Y Ê N LÍ T H Ú NIỈÂT CỦA N H I Ệ T Đ Ộ N G H Ọ C VÀO H Ó A H Ọ C

N H I Ệ T HÓA HỌC

N h iệ t hóa học Là k h o a học n g h iê n cứu h iệu ứ n g n h iệ t cùa các

q u á tr ìn h hóa h ọ c N h iệ m vụ củ a n h iệt h ố a học là xác đ ịn h n h iệt

d u n g củ a các hệ h ó a - lí, đo và tín h n h iệ t c ủ a các q u á t r ìn h

h ó a học, th iế t lập sự p h ụ th u ộ c c ủ a n h iệ t các q u á trìn h h ó a học vào n h iệ t độ và t h à n h p h ẩ n củ a hệ *

Cơ sở lí th u y ế t c ủ a n h i ệ t hóa học là n g u y ên lí I củ a n h iệ t

h ạ t n h â n và e le c tro n (tịn h tiến, quay )

- T h ế n ã n g tư ơ n g tá c (h ú t và đẩy) cù a các p h â n từ, nguyên

từ, h ạ t n h â n và elec tro n

15

N hư t h ế nội n ă n g của hệ (kí hiệu là u ỉà m ộ t đại lượng d u n g

độ, giá t r ị củ a nó chi phụ th u ộ c vào t r ạ n g th á i v ậ t lí m à không phụ thuộc vào cách c h u y ể n c h ấ t tới t r ạ n g th á i đó No' là m ột

h à m t r ạ n g thái Vì k h ô n g t h ể c h u y ể n hệ vể t r ạ n g thái không

c h u y ển động n ê n không t h ể đo được giá t r ị tu y ệ t đối c ù a nội năng Điéu này không làm n à y s in h các khó k h ă n vì kết quả

củ a sự xảy r a của m ộ t q u á t r ìn h n à o đó chỉ là sự biến đổi nội

n ã n g AU = U2 - U j

Nội n ã n g c ủ a hệ phụ th u ộ c vào b ả n c h ấ t, lư ợ ng củ a nó, áp

su ấ t, n h iệ t độ, th ể tích v à t h à n h p h ấn

Đối với khỉ lí tưởng, nội n ã n g c ủ a hệ chỉ phụ th u ộ c vào nhiệt

độ vi tro n g trư ờ n g hợp n à y sự th a y đổi á p s u ấ t và t h ể tích không

ả n h hư ở ng lên t h ế n ả n g c ủ a các h ạt

1.2 P h á t b iể u n g u y ê n lỉ 1 c ủ a n h iệ t d ộ n g h ọ c.

Nguyên lí I của nhiệt đ ộ n g học còn được gọi là nguyên lí bảo

to à n n ã n g lượng, nđ k h ẳn g đ ịn h tín h b ấ t d iệ t của n â n g lượng.Già sừ m ộ t hệ kín ở t r ạ n g t h á i 1 c h u y ế n s a n g tr ạ n g th á i 2 Khi đó nò tra o đổi với môi tr ư ờ n g n h iệ t n ă n g Q và cơ n ả n g w

N guyên lí I k h ầ n g đ ịn h lư ợ ng n ă n g lư ợ ng t r a o đổi này dưới d ạ n g

n h iệ t và công w + Q là k h ô n g đổi dù b iế n đổi đó là n h ư th ẽ nào và b ằ n g :

AU = U2 - U j = W + Q = co n st ( 1- 2 )

AU = u 2 - u , = WA + QA =

Tầ hãy n g h iê n cứ u các b iến đổi cơ - n h iệ t (hệ chỉ tra o đổi

n h iệ t v à công c ơ học với m ô i trư ờ n g )

2 ẤP DỤNG NGUYÊN LÍ I CỬA N H IỆT ĐỘNG HỌC

VÀO HÓA HỌC N H IỆT HÓA HỌC.

Cơ sò c ủ a n h iệt hóa học là hai đ ịn h lu ậ t H e s s (1836) và

K irch h o ff (1859) Vé m ặ t lịch sử, đ ịn h lu ậ t H e s s được tì m ra trư ớ c nguyên lí I (1844) n h ư n g vé m ặ t lôgic có t h ể xem hai đ ịn h

lu ậ t t r ê n là h ệ q u ả c ủ a nguyên lí I

2 1 N h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g.

Ta hãy kháo s á t m ộ t hệ kín trọ n g đó xảy r a p h ả n ứ n g :

T rạn g th á i đ ầ u : n mol A, m mol B, nội n ă n g Uj

T rạn g th á i cuối : q mol c , p mol D, nội n ă n g U 2

N h ư vậy p h à n ứ n g xày r a h o à n toàn

N h iệ t củ a p h à n ứ n g n à y ở n h iệ t độ T là n h iệt lượng tr a o đổivới môi tr ư ờ n g khỉ các c h ấ t p h à n ứ n g với n h a u theo tỉ lệ hợpthức, c h ấ t th a m gia và s ả n p h ấ m ở c ù n g n h iệt độ T

N ế u p h ả n ứng th ự c hiện ở V = c o n st hoặc ở p = c o n st thì

n h iệ t củ a p h à n ứ n g sẽ là :

nA 4- mB = qC + pD

AU = Qv

A H = Qp

Q và Qp được gọi lân lượt là n h iệ t p h ả n ứ n g d ằ n g tíc h và

n h iệ t p h à n ứ n g đ ả n g áp và chỉ tr o n g trư ờ n g hợp này giá tr ị của

c h ú n g mới chỉ p h ụ thuộc vào t r ạ n g th á i đấu và t r ạ n g th á i cuối

N ếu Qv và Qp > 0 th ì p h à n ứ n g th u n h iệ t và ngược lại là

n h á t Thí d ụ cacbon tổn tạ i ở hai d ạ n g th ù h ìn h là g rap h it và

kim cương, ỏ 2 9 8 K và dưới áp s u ẵ t 101,425 k P a, g ra p h ịt là biến đổi t h ù hình b é n n h ấ t do đđ t r ạ n g t h á i c h u ẩn ở 298K củ a cacbon

- Ỏ đ iều k iệ n đ ấ n g tíc h và hệ k h ô n g th ự c h iệ n m ộ t công nào

k h ả c n h iệ t của p h ả n ứ n g ộ v = AU.

- 0 đ iều k iệ n đ ằ n g áp và hệ k h ô n g th ự c h iệ n m ộ t cổng nào

kh á c trừ công d ã n nỏ, n h iệ t của p h ả n ứ n g Qp = AH

Chì tro n g n h ữ n g điểu kiện này, n h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g mới chỉ

p h ụ thuộc vào t r ạ n g th á i đ ẩ u và t r ạ n g th á i cuối và k h ô n g phụ thuộc vào các giai đoạn t r u n g gian T ín h c h ấ t n à y đã được nhà

b ác học N g a H ess (Getx) tỉm r a n ă m 1836, có t h ể coi nó là hệ

q u ả c ủ a nguyên lí I

Đ ịnh lu ậ t H ess p h á t b iểu n h ư s a u :

H iệu ứng n h iệ t của m ộ t p h ả n ứ n g chi p h ụ th u ộ c vào trạ n g

th ả i d ầ u và trạ n g th ả i cuối của các c h á t th a m g ia và các ch á t tạo th à n h c h ứ k h ô n g p h ụ thuộc ưào các g ia i đ o ạ n tr u n g gian.

T h u ậ t n g ữ hiệu ứ n g n h iệ t phải h iểu là n h iệ t c ủ a p h ả n ứng

th ự c hiện ở á p s u ắ t (hoặc t h ể tích) k h ô n g đổi và hệ k h ô n g sinh công nào k h á c ngoài công cơ học1 và q u á t r ỉn h p h ả n ứ n g là bất

2.2 b) H ệ q u ả 2.

H ệ quả 2 liên q u a n tới khái niệm n h iệt sinh hay nhiệt tạo thành

N h iệ t sin h h a y n h iệ t tạo th à n h c ù a m ộ t c h á t là n h iệ t lượng

th o á t ra h a y th u vào k h i tạo th à n h 1 m o l của ch á t d ó từ các

đơ n c h á t bẽn v ữ n g ỏ d iề u k iệ n dó.

N ếu đo dưới áp s u ấ t 101,325 k P a th ỉ n h iệt sin h đó được gọi

là n h iệ t sin h c h u ẩ n hay e n ta n p i tạ o th à n h c h u ẩn và được kí hiệu

là AHPr s

T ừ đ ịn h n g h ĩa n à y t a suy r a n h iệ t s in h của m ộ t dơn ch ă t bẽn

ỏ d iê u k iệ n tiêu c h u ẩ n bàng k h ô n g : AHyS (đơn chất) = 0

Giá tr ị củ a AHị? củ a các c h ấ t được cho tro n g phụ lục 1 (cuối sách) ở 298K, kí h iệu là AH^9g ố

H ệ q u ả 2 c ủ a đ ịn h l u ậ t H ess được p h á t b iểu n h ư sau :

H iệu ứ n g n h iệ t c ù a m ộ t p h ả n ứ n g bằng tồng n h iệ t sin h cùa các c h á t cuói tr ừ đ i tổng n h iệ t s in h của các c h á t dầu.

AH = 2 àHx (sàn phẩm ) - 2 aHs (th a m gia) (2-4)

Đ ế c h ứ n g m in h hệ q u ả này t a x é t p h ả n ứ n g :

AB + CD = AC + BD

Đ ể th ự c h iện p h ả n ứ n g này, t a có th ể đi theo m ộ t cách khác :

đ ầ u tiê n p h â n h ủ y các hợp c h ấ t AB, CD t h à n h các đơn ch ất, sau

đó cho các đơ n c h ấ t này p h ả n ứ n g với n h a u th à n h các hợp chất

AC và BD

21

Vì t r ạ n g thái đ ầ u và t r ạ n g th á i cuổi c ủ a hai cách biến đổi là

T rong th ự c t ế ngoài việc tín h hiệu ứ n g n h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g

q u à n h iệ t sin h củ a các c h ấ t còn tín h q u a n h iệ t cháy, đặc biệt đối với các c h á t hữu cơ

N h iệ t chấy của m ộ t c h á t là n h iệ t lư ợ ng th o ả t ra k h í đ ó t ch á y

h o à n toàn 1 m o l c h á t đó th à n h các o x it cao n h á t bền ỏ đ iề u

k iệ n đỏ,

N ếu đo dưới áp s u ấ t là 101,325 k P a th ì n h iệ t cháy đố được

gọi là n h iệ t ch ả y c h u á n v à kí hiệu là A H ^

C-Đối với các c h ấ t h ữ u cơ, oxit cao n h ấ t là C 02 (k) và H 20 (1) (nước lỏng)

H iệu ứ n g n h iệ t cùa m ộ t p h ả n ứ n g b à n g tổ n g n h iệ t chày của các c h á t th a m g ia trừ tổng n h iệ t chấy của các c h á t tạo th à n h

D ể c h ứ n g m in h h ệ q u ả này ta hảy tín h hiệu ứng nhiệt của phàn ứ n g :

3 C2H2 (k) — C6H6 (i) AH

q u a n h iệ t cháy c ủ a C2H ¿ (k) và C6H6 (1)

M uốn th ế ta h ìn h d u n g m ộ t sơ đổ sau :

Vì t r ạ n g th á i đ ẩ u (3C2H2 (k) + 0 2 (k)) và tr ạ n g th á i cuối( 6 C 02 (k) + 3 H 20 (1)) c ủ a cả 2 cách biến đổi là như nhau nên theo đ ịn h lu ậ t H ess :

3AHc(C2H2 (k)) = AH + AHc(C6H6 (1))

AH = 3A H c(C2H2 (k)) - AHc(C6H6 (1))

Đ ịnh l u ậ t H e ss v à các hệ q u ả c ủ a n ó có m ộ t ứ n g d ụ n g r ấ t

lớn t r o n g hóa học, n ó cho phép tín h hiệu ứ n g n h iệ t củ a nhiều

p h à n ứ n g tro n g th ự c t ế k h ô n g t h ể đo được

T h í dụ k h ô n g t h ể đo được n h iệ t cửa p h ả n ứng

c gr + \ 0 2 (k) = c o (k)

vì k h i đ ố t cháy Cgr ngoài c o (k) r a còn tạo th à n h C 02 (k)

n h ư n g n h iệ t c ủ a các p h ả n ứ n g s a u đo được :

c gr + 0 2(k) = C0 2 (k) AH°98 = -3 9 3 5 1 3 ,5 7 J m o i '1

CO (k) + 0 2 (k) = C 02 (k) AH°98 = -282.989,02 J.m o l' 1

Đ ể t ín h n h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g t r ê n t a h ìn h d u n g sơ đổ s a u :

23

đ ịn h lu ậ t H e ss cớ th ể tín h được đại lượng này.

T h í dụ xác đ ịn h n ă n g lư ợ ng m ạ n g lưới tin h th ể c ù a N aC l (r)

T h eo đ ịn h n g h ía n à n g lư ợ ng m ạ n g lưới củ a N aC l là n ă n g lư ợ ng

t h o á t r a khi tạ o th à n h 1 mol tin h t h ể N aC l từ các ion N a+ v à

c r ờ t r ạ n g th á i khí N ă n g lư ợ ng n à y k h ô n g t h ể đo được b ằ n g

th ự c ng h iệm n h ư n g n h iệ t củ a các q u á t r ỉn h sau có t h ể đo được :

- N h iệ t nguyên từ hóa N a(r)

Đ ể x ác đ ịn h n ă n g lượng m ạ n g lưới củ a tin h t h ể N aC l t a d ù n g

c h u t r ì n h n h iệ t động B orn - H a b e r sau :

2.3 S ự p h ụ t h u ộ c c ủ a h iệ u ứ n g n h iệ t v à o n h iệ t độ.

2.3.0 - N h iệt d u n g niol đảng áp vờ nhiệt d u n g m ol dằng tích :

N h iệ t d u n g m o l d à n g tíc h Cv là n h iệ t lượng cẩn th iế t đ ể n â n g

n h iệ t độ của 1 mol c h á t nguyên c h ấ t lên 1 K ở điéu kiện th ể tích k h ô n g đổi và tro n g k h o ản g n h iệ t độ đó không xảy ra sự

ch u y ển pha

d(AU), a(AU) ,

N h iệ t d u n g m o l d à n g áp C p là n h iệ t lượng cán th iế t để n â n g

n h iệ t độ cù a 1 mol c h ấ t nguyên c h ấ t lên 1 K ở điểu kiện áp s u ấ t không đổi và tro n g khoảng nhiệt độ đó không có sự chuyển pha

25

a G, a p a2 là n h ữ n g h ằ n g số đ ặ c t r ư n g đối với m ộ t c h ấ t nguyên

c h ấ t t r o n g k h o ả n g n h iệ t độ khảo s á t v à được cho tr o n g các số

t a y t r a cứu T rong p h ụ lục 1 (cuổi sách) cho giá t r ị C£ t r u n g bình (J K"-1 m o r 1)

2.3.6 - N h iệ t bién đ ổ i trạ n g th á i.

N ếu ở p = const, m ộ t c h ấ t th a y đổi t r ạ n g t h á i (n óng chày,

đ ô n g đặc, bay hơi, hóa lỏng, th ă n g hoa, biến đổỉ đ a hỉnh) thỉ tro n g q u á t r i n h đó n h iệ t độ sẽ k h ô n g đổi n h ư n g h ệ đã tra o đổi

n ă n g lượng với m ôi trư ờ n g N h iệ t lượng tra o đổi đó được gọi là

n h iệ t biến đ ổ i trạ n g th á i.

T h í d ụ : Tính nhiệt lượng cấn thiết để biến 1 mol nước lỏng ở

298K dưới p = l a tm th à n h 1 mol hơi nước ở 400K và p = la tm Trước h ế t t a tín h n h iệ t lư ợng c ầ n th iế t đ ể n â n g 1 mol nước lỏng từ 289K lên 373K (n h iệ t độ sôi c ủ a nước)

373

AHỹ = / C°(H20 (l))dT

298

ở 373K

AH2 = Lh (Lh : n h iệ t h ó a hơi)

Đ ể n â n g 1 m oi hơi nước từ 373K lên 4 0 0 K c ẩ n tiêu tốn

4 0 0

AH§ = / C°(H20 (h))dT

V ậy n h iệ t lư ợng c ầ n th iế t để biến 1 mol nước lòng ỏ 298K

th à n h 1 mol hơi nước ở 400K dưới p = l a t m sẽ là :

A H ° = AH? + AH° + AH«

T rong các sổ tay chỉ cho giá t r ị c ủ a AH?9g do đd đ ể tín h đượchiệu ứ n g n h iệ t củ a các p h ả n ứ n g ở các n h iệ t độ khác n h au , ta

c ầ n tỉm biểu th ứ c giải th íc h củ a sự phụ th u ộ c củ a hiệu ứ n g nhiệt

Với Aan = a n cuổj - an đầu

i

Jd (A H ") = / A C pd T + AH„

AIỈ!,' = J aC dT + AH(1Ti*ong đó A H0 là h ằ n g số tích p h â n được xác định từ giá trị của AHíp ở m ộ t n h i ệ t độ nào đó T rong trư ờ n g hợp của bài toán

đó là cù a p h ả n ứng :

AH‘2’9R = AHV98 s(CaO(r)) + AH<’)8 s (C 02(k) - A H ^ S s(CaC03(r))

T h ay giá t r ị vào ta được :

P h ư ơ n g tr ìn h b i ể u thị sự phụ thuộc củ a AH^> củ a p h ả n ứng vào n h iệ t độ

29

1 T h ư ờ n g sự bién đổi của Cp th eo T k h ô n g n h ié u do đó nếu

I AH°98| » 1 (th í dụ đối với các p h ả n ứ n g cháy) và tro n g k h o ản g

n h iệ t độ k h à o s á t k h ô n g co sự c h u y ển p h a t h ỉ :

T

A H ẹ = AH°98 + f AC°dT = AH§98

2 9 8

n g h ỉa là tr o n g tr ư ờ n g hợp n à y có t h ể coi A H ° = const.

2 Trong khoáng n h iệt dộ T2 Tj khá hẹp ctí th ể coi ACp = const

AH?r = AH°98 + AC£ (T - 298)

th ự c h iện ở á p s u ấ t không đổi thì n ă n g lượng liên kết A -B chính

là s ự biến đổi e n ta n p i củ a p h ả n ứng trên N ếu p h à n ứng thực

h iệ n ỏ áp s u ấ t là l a t m và ở n h iệt độ 298K th ì n ă n g lượng liên

k ế t A - B (kí hiệu là E A_ B) c h ín h b ằ n g AH£98 củ a p h à n ứng trên

T h í d ụ :

H (k) + H(k) = H - H , AH298 = -4 3 5 ,8 8 kJ.m ol _1

V ậy n ã n g lượng liên kết H - H b ả n g -4 3 5 ,8 8 kJ.m o l_ỉ

T ro n g trư ờ n g hợp phân tử nhiều nguyên tử, ngưdi ta th ừ a

n h ậ n sự biến đổi e n ta n p i của p h ả n ứng tạo th à n h các p h â n tử

n à y ở t r ạ n g th á i hơi từ các nguyên tử củ a các nguyên tố ỏ trạ n g

th á i hơi b ằ n g tổ n g n ã n g lượng cù a các liên kết được tạ o thành

Đ ây là n ă n g lư ợ ng liên kết tru n g binh

T h í d ụ :

2 H (k ) + O(k) = H20 (k ) AH£98 = -9 2 5 ,2 3 k J.m o l“ 1 = 2 E H_GVậy n ă n g lượng t r u n g bình củ a 1 liên kết O -H ;

—925 23

E h _q = y — = -4 6 2 ,6 2 kJ.m ol' 1

Tầ c ũ n g đ ã gặp khái n iệm n â n g lượng phá vờ liên k ế t7 vế giá

t r ị n ó chính b ằ n g n ã n g lượng liên kết n h ư n g ngược dấu

31

n h iệ t của p h ả n ứng.

T h í d ụ :

Tính AH£98 củ a p h ả n ứ n g :

H2(k) + Cl2(k) = 2HCl(k)Cho b iế t :

2 Một bình kín, tro n g đó xảy r a p h ả n ứ n g h ố a học H ãy cho

b iế t tê n gọi của các hệ sau :

- Vỏ b ìn h là cách n h iệ t và không đàn hổi

- Vỏ b in h cách n h iệ t và có tín h đ à n hổi

- Vỏ b in h k h ô n g cách n h iệ t và cổ tín h đ à n hổi

3 T h ế nào là th ô n g s ố t r ạ n g th ái, th ô n g số t r ạ n g thái cường độ,

d u n g độ ? Cho th í dụ

4 T h ế n à o là t r ạ n g th á i cân b ằ n g n h iệ t động, cân b ằ n g hóa học ?

5 T h ế n à o là p h ả n , ứ n g t h ụ â n nghịch, bất th ụ â n nghịch ?

6 T h ế nào là h à m t r ạ n g th á i ? Trong n h iệt đ ộ n g học, n h ữ n g đại

lư ợ ng nào là h à m t r ạ n g th á i ? Công và n h iệ t có phài là hàm

t r ạ n g th á i không ? tạ i sao ? Cho thí dụ ?

7 T ín h c ô n g dãn nở đ ả n g n h iệ t c ủ a n mol khí lí tư ở n g tro n g các tr ư ờ n g hợp :

a - t h u ậ n nghịch,

b - b ấ t th u ậ n nghịch

8 T h ế nào là nội n ả n g củ a m ộ t hệ ? Nội n ã n g củ a hệ phụ thụôc vào n h ữ n g yếu tố nào ? Tại sao ? Tại sao nội n ă n g củ a hệ khí lí tư ở n g lại chỉ phụ th ụ ồ c vào n h iệ t độ ?

9 P h á t biểu n g u y ên lí th ứ n h ấ t cù a n h iệt động học ? Biểu thức

to án học c ủ a n g u y ên lí I khi m ộ t hệ kín ở tr ạ n g th á i 1 chuyển

s a n g t r ạ n g th á i 2, t r o n g q u á tr in h đđ hệ tra o đổi với môi trư ờ n g n h iệ t lư ợng Q, cơ n ă n g w và công h ữ u ích W ’ ? Cũng

c âu hỏi n à y n h ư n g đối với m ộ t biến đổi vồ cùng nhỏ ?

10 T rong trư ờ n g h ợ p n ào , n h iệ t củ a quá t r ì n h mới chỉ phụ thụôc

vào t r ạ n g th á i đ ấ u và t r ạ n g th á i cuối ? Tại sao ?

11 T h ế n à o ià n h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g ? T rong n h ữ n g trư ờ n g hợp nào, n h iệ t c ủ a p h ả n ứ n g mới chỉ p h ụ th ụ ô c vào t r ạ n g thái

đ ầ u v à t r ạ n g th á i cuối

12 T h ế n à o là t r ạ n g th á i c h u ẩ n c ủ a m ộ t c h ấ t nguyên c h ấ t ? Cho th í dụ ?

13 P h á t b iể u đ ịn h l ụ â t H e ss ? Cho thí d ụ m in h họa ? Tại sao

có t h ể nói đ ịn h l ụ â t H ess là hệ q u à củ a nguyên lí I ?

14 T h ế n à o là n h iệ t sinh, n h iệ t sinh c h u ẩn củ a m ộ t c h á t ?

AH?98 ghi tr o n g các p h à n ứ n g sau, cái nào là AH^ọg Tầi sao ?MgO(r) + C 02(k) = M gC 03(r) AH°>8 = -1 1 7 ,8 kJ.m ol’ 1

2 H2(k) + 0 2(k) = 2H20(1) AH^ọg = -5 7 1 ,6 8 kJ.

15 T h ế nào là n h iệ t cháy, n h iệ t cháy c h u ẩ n củ a m ộ t c h ấ t ?

AH^98 ghi tro n g p h ả n ứng sau, cái nào là AH£9g c ?

19 H ãy th iế t lập b iểu th ứ c b iểu th ị sự phụ th ụ ô c củ a AH củ a

p h à n ứ n g vào n h iệ t độ tro n g các tr ư ờ n g hợp s a u :

- c củ a các c h á t tro n g k h o ả n g n h iệ t độ khảo s á t là không đối ( tr ừ lại n h ữ n g đ iể m c h u y ển pha)

- Cp củ a các c h ấ t tro n g k h o ản g n h iệ t độ khảo s á t là h à m của

n h iệ t độ

* #

BÀI T Ậ P

1 T ính công d ã n nở c ù a n mol khí tr o n g chân k h ô n g ?

2 Trong m ộ t động cơ đ ố t trong, ở lúc b á t đ á u n ổ khí có áp s u á t

là 2026,5 k P a và đẩy piston với m ộ t lực k h ô n g đổi tư ơng

đư ơ ng với m ộ t áp s u á t b ê n ngoài là 5 0 6 6 2 5 k P a và q u ả piston

q u é t m ộ t t h ể tích là 25ì)cm3

a - T ín h lư ợ ng công thự c hiện khi nô’ đó ?

b - T ính công s u ấ t củ a động cơ (n â n g lư ợng sản r a tro n g

m ộ t đơn vị thời gian) gổm 6 x ilan h và làm việc 2 0 0 0

v ò n g /p h ú t ( t r o n g đ ộ n g cơ hai t h ì cứ hai vòng nổ m ộ t lẩn)

T ính AH^gg c ủ a p h ả n ứ n g ? Cho b iế t AH^ọg s củ a F e 20 3(r) CO(k) và C 0 2(k) lẩ n lư ợ t là -8 2 2 ,1 6 , - 1 1 0 ,5 5 và -3 9 3 ,5 1 k ơ m o l" 1

7 Khi đ ố t cháy 0,532 g hơi b e n ze n ở 2 5 ° c và th ể tíc h k h ô n g đổi với m ộ t lư ợng oxi dư, tỏa r a 2 2 4 7 5 ,7 4 6 J s à n p h ẩ m là

C 0 2(k) v à H 20(1)

a - N h iệ t ch áy c ủ a benzen ?

b - AU và AH củ a p h ả n ứ n g khi đ ổ t cháy 1 mol b e n ze n ?

8 ở 2 5 ° c và dưới á p s u ấ t l a t m , n h iệ t ch áy củ a x iclopropan khí (CH2)3, c ủ a g r a p h it và c ủ a hiđ rô l ầ n 'lượt b ằ n g -2 0 9 1 ,3 7 2 , -3 9 3 ,5 1 3 v à - 2 8 5 ,8 3 8 kJ.m ol - 1 C ũ n g ở điểu kiện đó e n ta n p i

tạ o th à n h củ a prôpen khí C H 3 - C H = C H 2 b ằ n g 20,414 kJ.m o l- 1

Đ s : - 394.555,74 ơ m o r 1

10 a - T í n h A I Ỉ2 98 c ủ a p h ả n ứ n g :

CO (k) + H 20 ( h ) = C 0 2(k) + H 2(k)Cho biết :

CO(k) H 20 ( h ) C 0 2(k)

AH "9 8 s - ( k J m o r ') : -1 1 0 ,5 2 -2 4 1 ,8 3 -393,51

b - T ìm p h ư ơ n g t r ìn h b iể u th ị sự p h ụ th u ộ c củ a AH^ của

p h ả n ứ n g tr ê n vào n h iệ t độ ? Cho b iế t :

C®(CO.k) = 26,5366 + 7 ,6 8 3 0 1 0 '3T

1,17193.1o-0 T2 (J.K-1 mol-1)Cp(C02-k) = 26,7608 + 42,2584.10"3T - 14,2465.10"6T2 C°(H 20 h ) = 30,2043 + 9,9328,10’ 3T + 1,1171.10“ 6T 2 COCHER) = 29,0658 - 0,8363.10“ 3T + 2,0116.1Cr6T2

c - T ín h A H ° c ủ a p h á n ứ n g t r ê n ở 1000°c ?

Đ s : a / -4 1 1 6 0 J m o r 1

b/ AH° = -4 1 8 3 7 ,1 4 3 - Q,914T ++ 11,903.10" 3T " 2 - 4 ,0 5 9 10-6T 3 (J.m o l"1)

a x ê tô n itry l C H 3CN ở t r ạ n g th á i khí b ằ n g 88,0 kJ.m ol-1 T ính

n à n g lư ợng liên kết c s N tr o n g p h â n tử này từ các nguyên

tử ? B iết r ằ n g n ă n g lượng c ủ a các liên k ế t C - H và C - C lần lượt b ằ n g - 4 1 3 kJ.m ol-1 v à - 3 4 8 kJ.m ol-1 và :

37

Cgraphi, - c hơi AH°,ânghoa = 718,4 kJ.m ol-*

E n ta n p i bay hơi củ a brôm : AHgh = +30,7 kJ moi” 1

- E n ta n p i nguyên từ h ó a c ủ a kali : AH°t = +90,0 k J m o l" 1

- E n ta n p i tạo th à n h liên k ế t B r - B r : “ 193 k J m o l" 1

- Ấi lực đối với e le c tró n c ủ a B r : - 3 3 3 k J.m o l-1

- N ă n g lượng ion hóa cù a nguyên t ử K : +419 k J m o r 1

Đ s : -6 7 9 ,8 5 k J m o l '1

Các q u á tr ỉ n h ngược lại không t h ể t ự xảy ra.

T rong hóa học việc b iế t n h ữ n g tiê u ch u ẩn cho phép tiên đoán được chiễu c ủ a p h ả n ứ n g hóa học và giới h ạ n tự diễn biến cùa

c h ú n g (do đó x ác đ ịn h được hiệu s u ấ t củ a p h à n ứng) là điểu r ấ t

q u a n trọng

N guyên II I cho phép tín h n h iệt củ a các p h ả n ứng n h ư n g

k h ô n g cho phép tiên đoán chiéu và giới h ạ n c ủ a q u á trinh

N guyên lí II cho phép giải quyết các vấn để này

2 N G U Y ÊN LÍ II CỦA N H IỆ T D Ộ N G HỌC - E N T R Ô PI

ỏ giáo t r ì n h v ậ t lí (p h ẩ n v ậ t lí p h â n tử và n h iệt học) t a th ấy

có n h iéu cách p h á t biểu nguyên lí II, mới đ ẩ u tư ò n g như hoàn

to à n khác n h a u n h ư n g th ự c t ế các c á c h p h á t b iểu là tư ơ ng đương

T rong h ó a học, p h á t b iểu nguyên lí II dưới d ạ n g h à m t r ạ n g

th á i e n trô p i là th ụ â n lợi n h ấ t

39

2 1 P h á t b iể u n g u y ê n 1ỈN II c ủ a n h iệ t đ ộ n g h ọ c

a) Tôn tạ i m ộ t h à m trạ n g th ả i gọi là entrôpi, k í h iệ u là s

V ậy d S là m ộ t vi p h â n toàn p liân.

b) G iả sử có m ộ t biến dổi th u ậ n n g h ịch vô cù n g n h ỏ trong

d ó h ệ trao dồi vói m ôi trư ờng ỏ n h iệ t dộ T m ộ t n h iệ t lượng

ỔQln, sự biến đổi e n trồ p i tro n g q u á t r ìn h này được xác đ ịn h bởi :

N h ư vậy đơn vị c ủ a e n trô p i là J K cal K " 1

N ếu k ế t quả củ a sự biến đổi làm hệ chuyển từ t r ạ n g th á i 1

(tự xảy ra)

G hi chú :

s !à m ộ t h à m t r ạ n g th á i do đó AS chỉ phụ th ụ ô c vào t r ạ n g

th á i đ ẩ u và t r ạ n g th á i cuối n g h ĩa là :