NHIỆT ĐỘNG hóa học (hóa học) (chữ biến dạng do slide dùng font VNI times, tải về xem bình thường)

Hàm trạng thái Là hàm của các thơng số trạng thái  Hàm trạng thái phụ thuộc vào trạng thái của hệ  Các thơng số trạng thái cĩ thể là hàm trạng thái nhưng cũng cĩ thể là biến số trạng

THERMOCHEMISTRYNHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

I.KHÁI NIỆM

1.Nhiệt động hóa học

- Nghiên c u s chuyển hóa giữa hóa năng và các ứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và các ự chuyển hóa giữa hóa năng và các dạng năng lượng khác.

- Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học.

- Điều kiện bền cuả hệ hóa học.

2.Hệ nhiệt động

Là tập hợp một hay nhiều chất ở điều kiện xác định

p, t 0 , nồng độ.

Hệ + Môi trường xung quanh = Vũ trụ

 Hệ là tập hợp các vật thể xác định

trong không gian nào đó và phần còn lại xung quanh gọi là môi trường : VŨ TRỤ

Phân loại hệ :

H H H H Ệ HỞ Ở Ệ HỞ Ở H KÍN H KÍN Ệ HỞ Ệ HỞ H CÔ L P H CÔ L P Ệ HỞ Ệ HỞ ẬP ẬP

Hệ kín chỉ có thể trao đổi E với

MT ngoài

Hệ cô lập không trao đổi chất và

E với MT ngoài

3.Trạng thái

- Một hệ có thể

tồn tại ở những

trạng thái khác

nhau.

cân bằng khi các thơng số trạng thái giống nhau ở mọi điểm của hệ và khơng thay đổi theo thời gian

P,

t 0 ,

C,

V, năng lượng ….

Thông số

trạng thái

Hàm trạng thái

 Là hàm của các thơng số trạng thái

 Hàm trạng thái phụ thuộc vào trạng thái của hệ

 Các thơng số trạng thái cĩ thể là hàm trạng thái nhưng cũng cĩ thể là biến số trạng thái

 Hàm trạng thái : biến thiên giá trị của hàm chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của hệ

F = F(cuối) – F (đầu)

Trong quá trình biến đổi trạng thái, biến thiên của hàm trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi.

C

Trạng thái chuẩn

 Chất phải tinh khiết và ở trạng thái liên hợp bền

 Nếu là chất rắn phải ở dạng đa hình bền.

 Nếu là chất khí thì phải là khí lý tưởng.

 Nếu là chất ở trong dung dịch thì C = 1 mol/lít.

 Áp suất chuẩn là 101,325 kPa (tương ứng 1 atm)

 Nhiệt độ chuẩn có thể là nhiệt độ bất kỳ, thường là

25 o C = 298 o K

Một số quá trình hay gặp:

- Đẳng áp: P = const - P=0

- Đẳng tích: V = const - V=0

- Đẳng nhiệt: T = const - T= 0

F 1 = F(P 1 ,T 1 ,C 1 ,V 1 ) F 2 = F(P 2 ,T 2 ,C 2 ,V 2 )

QUÁ TRÌNH - là con đường mà hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác có sự biến đổi ít nhất một thông số trạng thái

QUÁ TRÌNH THU N NGH CH ẬP ỊCH

Là qt có th ti n hành theo hai chi u ng ể tiến hành theo hai chiều ngược ến hành theo hai chiều ngược ều ngược ược c nhau, các tr ng thái trung gian gi ng nhau, ạ ống nhau, không gây nên bi n đ i gì trong h c ng nh ến hành theo hai chiều ngược ổi gì trong hệ cũng như ệ ũng như ư môi tr ường ng.

QUÁ TRÌNH B T THU N NGH CH ẤT THUẬN NGHỊCH ẬP ỊCH –

Là các qt không tho mãn các đi u ki n ả mãn các điều kiện ều ngược ệ

6.Năng lượng

Năng lượng là thước đo sự chuyển động của vật chất

Năng lượng = Ngoại năng + Nội năng (U)

(động năng, thế năng)

NỘI NĂNG (U)

U = Et nh ti n ịnh tiến ến +Equay+Edao đ ngộng +Ehút,đ y ẩy + Enhân

Q = m c (t s -t đ )

Lượng nhiệt trao đổi mà môi trường nhận tính bằng :

- c là nhiệt dung riêng : lượng nhiệt cần cung cấp để 1 gam chất tăng lên 1 độ (cal/g.độ hay J/g.độ)

- m khối lượng của hệ m= m ct + m dm

- t đ , t s nhiệt độ ban đầu và sau phản ứng

Nhiệt Q là thước đo sự chuyển động hỗn loạn của hệ

Nhiệt độ t 0 : biểu hiện mức độ chuyển động hỗn loạn

t 0  mức độ chuyển động hỗn loạn 

Hiệu ứng nhiệt của một quá trình hóa học là lượng nhiệt hệ thu vào hay tỏa ra khi thực hiện quá trình

Đơn vị năng lượng

P.dV thước đo sự chuyển động có

hướng của hệ (chủ yếu là công giãn nở chống lại áp suất)

•Nhiệt (Q) là thước

đo sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các tiểu phân.

đo sự chuyển động

có trật tự có hướng của các tiểu phân trong trường lực.

Quy ước về dấu của nhiệt và công

II.NGUYÊN LÝ I – HIỆU ỨNG NHIỆT

1 Nguyên lý I

Nội dung : Định luật bảo toàn năng lượng

Q = W + U

Q: lượng nhiệt cung cấp cho hệ

W: công chống lại các lực bên ngoài W = 

2

1

P.dV

U : sự biến đổi nội năng

U : năng lượng bên trong của hệ bao gồm động năng và thế năng của các tiểu phân trong hệ U: tính chất, đại lượng xác định trạng thái của hệ U: hàm trạng thái U = U 2 - U 1

2 Aùp dụng nguyên lý I cho các quá trình

Quá trình đẳng tích: V =const  W =0

H là đại lượng năng lượng

H : xác định trạng thái

H 2 - H 1 = H Đối với các chất khí: PV = nRT

 Q p = Q v + nRT

Quá trình đẳng nhiệt: T =const  U=0

2

1

1

2 ln ln

2

1

2

P nRT

V

V nRT

dV V

nRT PdV

W Q

Đơn vị H : kJ/mol ; kcal/mol

P =const: hiệu ứng nhiệt =Q p = H

V=const: hiệu ứng nhiệt = Q v

Các dạng năng lượng

H th ngện qt ống H th ngện qt ống

V= h ng s , ằng số, ống

ΔU=Qv

P= h ng s , ằng số, ống ΔU=Qp + P ΔV

Entalpi là hàm trạng thái,

thơng số dung độ

a s các ph n ng hóa h c th ng đ c ti n hành

Đa số các phản ứng hóa học thường được tiến hành ở ống ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở ọc thường được tiến hành ở ường được tiến hành ở ược tiến hành ở ến ở áp su t không đ i nên hi u ng nhi t c a ph n ng ất không đổi nên hiệu ứng nhiệt của phản ứng ổi nên hiệu ứng nhiệt của phản ứng ện qt ứng hóa học thường được tiến hành ở ện qt ủa phản ứng ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở

đ c xác đ nh b ng ược tiến hành ở ịnh tiến ằng số, H c a ph n ng.ủa phản ứng ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở

Entalpi là hàm trạng thái về

không ph thu c vào quá trình ụ thuộc vào quá trình ộng

Nguyên lý 1 Nhiệt hĩa học :

Chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 theo nhiều đường biến đổi khác nhau nhưng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ thống mà thơi

b.Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn – Entalpi mol chuẩn thức :

Điều kiện chuẩn : - tính cho 1 mol chất

- ở p =1atm ; t =25 0 C (298 0 K)

Ký hiệu : H 0 hoặc H f 0

298

Đơn vị : Kcal/mol hay KJ/mol

 Entalpi mol chuẩn thức là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ở trạng thái tự do bền vững nhất.

 Quy ước : Hf o

298 o K(đơn chất) = 0

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

Ph n ng phân h y là ph n ng ngh ch c a p ng ả mãn các điều kiện ứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và các ủy là phản ứng nghịch của p ứng ả mãn các điều kiện ứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và các ịch ủy là phản ứng nghịch của p ứng ứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và các

t o thành ạ

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

C (gr) + O2 (k) CO2 (k)

mol/

kcal1

,94

Ký hiệu : Hf 0

298(đc)

- Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1mol chất bằng Oxy để tạo oxit cao nhất trong điều kiện xác định

VD:

3 Phương trình nhiệt hóa học:

-Là phương trình phản ứng hóa học có ghi rõ trạng thái

chất - rắn, lỏng, khí, dung dịch… - kèm điều kiện phản ứng và hiệu ứng nhiệt H.

Ví dụ:

Zn(r)+2HCl(d)= ZnCl 2 (d)+H 2 (k), H o

298 =36,5 kcal ½ H 2 (k) + ½ Cl 2 (k) = HCl (k), H o

298 =-92,31 kcal/mol

H < 0 : Phản ứng tỏa nhiệt

H > 0 : Phản ứng thu nhiệt

có khả năng tự xảy ra

K có khả năng tự xảy ra

4 Định luật Hess

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng

Hệ quả mãn các điều kiện

Hệ quả I: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu.

Hệ quả II: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các chất đầu trừ đi tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm phản ứng.

û

= [cHttC + dHttD]  [aHttA + bHttB] H = ni Hñc cñ ni Hñc sp

= [aHñcA + bHñcB]  [cHñcC + dHñcD]

Ví dụ : Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

CaCO 3 (r) = CaO(r) + CO 2 (k) H o

298(TT) kcal/mol -288,5 -151,9 -94,1

kcal 42,5

288,5 94,1

151,9

H H

Ho298 o298ttCaO o298ttCO o298ttCaCO

3 2

Ví dụ : Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

CH 3COOH(l)+C2 H 5OH(l)=CH3 COOC 2 H 5(l)

545,9 326,7

208,2

H Δ H

Δ ΔΗ

Bài tập 1 Tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng

Tính hiệu ứng nhiệt gián tiếp dựa theo định luật Hess

(1) A + B  C + E , H1(2) C + D  B , H2

CO(k) + ½ O2(k)  CO2(k)

5.Tính  H ở điều kiện khác chuẩn:

dT C

H H

T

T

pư p

o T

.(

C H

.(

C H

C P nhiệt dung mol đẳng áp:

Đơn vị C p : J/ (mol Độ ); cal/(mol.độ); J.mol -1 K -1

Tính gần đúng:

o

pư 298

CH4(k) + 2O2 (k)  CO2 (k) + 2H2O (l)

H0

298,tt (kj/mol) -74,85 0 -393,5 -285,8

Cp(j/mol.độ) 35,31 29,36 37,11 75,29

Bài tập Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng ở 1000C

Fe2O3 (r) + 3CO(k)  2Fe (r) + 3CO2 (k)

H0

298,tt (kj/mol) -824,2 -110,52 0 -393,5

Ví dụ Xác định nhiệt phản ứng cho phản ứng sau:

Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Năng lượng liên kết (năng lượng nối) và nhiệt hóa học:

H° = NLLK (tác chất) – NLLK (sản phẩm)

= NL cung cấp – NL giải phóng

Enthalpy

Các phân tử tác chất

Các nguyên tử

Các phân tử sản phẩm

NLLK (tác chất)

─ NLLK (sản phẩm)

Các phân tử tác chất

Các phân tử sản phẩm

Các nguyên tử

NLLK (tác chất )

─ NLLK (sản phẩm)

Phản ứng thu nhiệt Phản ứng tỏa nhiệt

NLLK: năng lượng liên kết trung bình

H H

H

H OH H

H H

H

C C

Xác định năng lượng liên kết hóa học

Ví dụ: Xác định E t/bình của các lk O – H trong ptử nước

Biết E lk H–H = 435,9 kJ, EO=O = 498,7 kJ, khi đ t 2 mol Hống 2

1 Khái niệm entropi

Entropi S là đại lượng biểu thị độ hỗn độn (vô trật tự) của vật chất

S = k lnW

k: hằng số Boltzmann W: xác suất trạng thái của hệ

-là đại lượng xác định trạng thái của hệ

-Là hàm trạng thái: S = S 2 –S 1

-S tăng theo nhiệt độ

-S tăng theo độ linh động của trạng thái tập hợp

S rắn < S lỏng < S khí

Tính chất của Entropi

Về bản chất entropi (S) là thước đo tính hỗn loạn của hệ, tính hỗn loạn của các tiểu phân trong hệ càng cao thì entropi của hệ càng cao

Do đó

°Hệ càng phức tạp thì entropi càng lớn

Ví dụ S 0 của O = 160,95 j/mol

S 0 của O 2 = 205,03 j/mol

S 0 của O 3 = 238,82 j/mol

Tính chất của Entropi

°Đối với cùng một chất thì S tăng khi chuyển từ rắn sang lỏng và sang chất khí

S0nước đá = 41,31 j/mol

S0nước lỏng = 63,31j/mol

S0hơi nước = 185,6 j/mol

°Nhiệt độ càng tăng thì

entropi càng cao

°Áp suất tăng thì entropi

của hệ giảm

Vậy S phụ thuộc vào

T, P, V

Tính h n ỗn

lo nạn

Entropi Entropi

Entropi mol chuẩn thức S o

298 o K : là entropi của 1 mol chất ở trạng thái chuẩn 1 atm, 25 0 C

Trong hệ cô lập Q = 0  S ≥ 0

 Quá trình tự xảy ra khi S >0

3 Tính độ biến đổi S trong một số quá trình

a.Quá trình chuyển pha (T=const, P =const)

T T

H T

2 1

2 T

Pln

nRV

Vln

nRT

V

VlnnRTT

Q



R = 8,314 J/mol.K = 1,987 cal/mol.K

c.S phụ thuộc vào nhiệt độ (T thay đổi, P = const)

T

dT nC

Ví dụ

C (gr) + CO 2(k) = 2CO (k) Tính:

5.74 213.68 197.54 (J/mol.K) 33.44 291.76 248.71 (J/mol.K)

CO S

C S

CO S

S

/ 66 175

] 68 213 74

5 [ 54 197 2

)]

( )

( [

) (

2 2980 2980 2980 2

0 298

K J

CO S

C S

CO S

S

/ 22 172

] 76 291 44

33 [ 71 248 2

)] (

) ( [

) (

Dựa vào bảng entropi tiêu chuẩn của các chất tính của các phản ứng:

III.THẾ ĐẲNG ÁP – CHIỀU XẢY RA CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

1.Thế đẳng áp (năng lượng tự do Gibbs)

Quá trình tự xảy ra: H< 0 , S > 0

 Đưa ra đại lượng năng lượng tự do Gibbs:

G = H – T.S

- là đại lượng xác định trạng thái của hệ

-Là hàm trạng thái G = G 2 – G 1

-Phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ

G sử dụng để xét chiều của phản ứng

G =  H – T.S

2.Thế đẳng áp tiêu chuẩn G o

298 (G o )

Là thế đẳng áp ở điều kiện chuẩn:

-T =298 K ;

-C = 1mol/l hoặc áp suất riêng phần P =1atm,

- các chất rắn, lỏng ở trạng thái bền, khí lí tưởng.

Đơn vị G o : KJ/mol ; Kcal/mol

Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn G o

3.Tính G của các phản ứng hóa học

o 298

o CO 298

o 298

4.Dự đoán chiều của các phản ứng hóa học

G < 0  phản ứng xảy ra theo chiều thuận

G > 0  phản ứng không xảy ra (xảy ra theo

ứng xảy ra ở T cao

Bảng dự đoán chiều của các phản ứng hóa học

Lưu ý: T cao nghĩa là T phải khoảng 1000K

Lưu ý: Dựa vào G 0

298 để dự đoán chiều:

2.Cho ph n ng : H ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở 2 (k) + CO2(k) H2O (k)+ CO(k)

b Xác định nhiệt độ để phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại?

c Tính G của phản ứng ở 727 0 C

3 Cho phản ứng C2H2 (k)+ 2 H2O (l) CH3COOH (l) +H2 (k)

H 0

298,s (Kj/mol) 226,9 286 -487,4 0

S 0

298,s (J/mol.độ) 207 70 160 130,7

a.Tính H, U, S, G của phản ứng ở điều kiện chuẩn

b Ph n ng thu nhi t hay t a nhi t? Ph n ng x y ra theo chi u ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở ện qt ỏa nhiệt? Phản ứng xảy ra theo chiều ện qt ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ứng hóa học thường được tiến hành ở ản ứng hóa học thường được tiến hành ở ều nào?

c.Tính nhiệt độ để phản ứng bắt đầu xảy ra theo chiều tạo C2H2? (xem

H , S không phụ thuộc vào nhiệt độ)