Bài giảng Hóa đại cương - Chương III: Nhiệt hóa học

Nội dung text: Bài giảng Hóa đại cương - Chương III: Nhiệt hóa học

1. là hệ có thể trao đổi cả năng lượng và vật CHƯƠNG III *. Hệ hở: chất với (mtng) NHIỆT HÓA HỌC * Hệ kín: chỉ trao đổi năng lượng nhưng không 1. Các khái niệm cơ bản: trao đổi chất với (mtng) a. Hệ: * Hệ cô lập: không trao đổi cã năng lượng và vật Là 1 phần của vũ trụ có giới hạn trong phạm vi chất với (mtng) đang khảo sát về phương diện hóa học. Phần còn Td: Cốc chứa dd hóa chất đang pư không đậy nắp lại của vũ trụ bao quanh hệ được gọi là môi là hệ hở, còn pư trong binh đậy kín là hệ kín, pư trường ngoài (mtng) đối với hệ. trong bình cách nhiệt đậy kín là hệ cô lập. Td: 1 cốc chứa nước đậy kín: phần bên trong cốc * Hệ đồng thể: hệ chỉ có 1 pha,còn hệ chứa từ 2 pha là hệ, còn thành cốc và khoảng không gian quanh trở lên là hệ dị thể ( Hệ gồm nước lỏng nguyên chất cốc là (mtng). là đồng thể, hệ gồm nước và nước đá là dị thể) b. Thông số trạng thái và hàm trạng thái; β. Hàm trạng thái: α. Thông số trạng thái: Trạng thái của hệ thay đổi khi chỉ cần 1 thông số Các đại lượng vật lý như: áp suất(p), thể tích(V), trạng thái thay đổi nhiệt độ(T),số mol chất(n) dùng để biểu diễn trạng Hàm trạng thái là 1 đại lượng có giá trị chỉ phụ thái của hệ được gọi là thông số trạng thái thuộc vào các thông số trạng thái của hệ. Giũa các thông số trạng thái có 1 phương trình liên hệ: γ. Quá trình: o p: (atm),V:(lit),T:( K) Xem 1 hệ ở trạng thái (1:p1,V1,T1), khi 1 thông số 0,082 l.atm.mol-1 Hằng số trạng thái thay đổi →trạng thái (2:p ,V ,T ) hệ đã pV= nRT 2 2 2 R 1,987cal.mol-1 khí lý thực hiện 1 quá trình từ trạng thái(1)→trạng thái(2) Pt trạng thái -1 8,3 j.mol tưởng *1 (p1,V1,T1) → *2 (p2,V2,T2) Khi đã xác định được 3 trị số, thì trị số thứ 4 được • Quá trình đẳng áp: áp suất không đổi( ∆p=0;p=const) xác định.Do đó khi biểu diễn trạng thái của hệ •Quá trình đẳng tích: thể tích không đổi(∆V=0;V=const thường dùng 3 thông số: p,V,T •Quá trình đẳng nhiệt:nhiệt độ không đổi(∆T=0;T=const •Quá trình đoạn nhiệt: không trao đổi nhiệt (Q=0) m=M, ∆T= 1 Q= Mc = c̅ : nhiệt dung mol •Quá trình thuận nghịch: khả năng xãy ra theo chiều Có n mol chất Q = nc̅ ∆T thuận hay chiều nghịch là như nhau( ).Quá β. Công trình chỉ xãy ra 1 chiều là qt tự nhiên hay không tn Công thay đổi thể tìch hệ Công A c. Nhiệt và công Công hóa học Khi thực hiện quá trình từ trạng thái(1) đến trạng Trường hợp chỉ có công thay đổi thể tích: thái (2), hệ có thể trao đổi năng lượng với mtng dưới 2 dạng: nhiệt và công. A = pngoài . ∆V { ∆V = V2 – V } α. Nhiệt: • p1ng = 0 ( quá trình xãy ra ở chân không) A = 0 m: khối lượng (gam) • ∆V=V2 – V1 = 0(quá trình đẳng tích) A = 0 Q = mc∆T c: nhiệt dung • Quá trình đẳng áp hoặc thuận nghịch: ∆T= T2 – T1 png = phệ = p A = p.∆V m=1g ; ∆T=1 c=Q → c: nhiệt dung riêng
2. Qui ước về dấu: Q 0 nhận nhiệt Nội năng U là tất cả các dạng năng lượng tích chứa A 0 sinh công II. Áp dụng nguyên lý I nhiệt động lực học. A = png.∆V ∆U = Q – png.∆V 1. Nguyên lý I và nội năng Trong trường hợp hệ thực hiện 1 chu trình: Xem hệ thực hiện quá trình từ trạng thái (1) đến trạng ∆U = U – U = Q – A = 0 thái (2) có thể theo nhiều đường quá trình khác nhau: 1*2 * 2 1 Q = A A , Q 1 1 A1 ≠ A2 ≠ A3 ≠ An • Q > 0 A > 0: hệ nhận nhiệt→sinh công Q ≠ Q ≠ Q ≠ Q A2 , Q2 1 2 3 n • A 0 ∆H>0 hệ nhận nhiệt:H2>H1 hệ nóng lên 1 pư thường được thực hiện theo 1 trong 2 cách sau: Qp 0 ∆U>0 hệ nhận nhiệt→U2>U1:hệ nóng lên giữa pư với mtng ở điều kiện ∆V = 0 hoặc ∆p = 0. •QV 0 và ∆H2̅ ph,298 ↑ càng bền ∆Ho = ∆Ho [CaCO (r) ] 298 tt,298 3 b. Nhiệt đốt cháy mol tiêu chuẩn. Là hiệu ứng nhiệt của pư đốt cháy hoàn toàn 1 mol hoá chất bằng O2(k),sản phẩm tạo thành là các oxyt bền của các nguyên tố tạo thành hoá chất ở đkc.
3. 0 0 H2(k) + ½ O2(k) →H2O(l) ∆H 298 = ∆H̅ ch,298 C(tc) + O2 (k) → CO2(k) o [H (k)]o ∆H ∆H ∆H0 = ∆H + ∆H ∆H̅ ch,298 thường < 0 và ∆H2̅ ch,298 [đơn chất] ≠ 1 2 298 1 2 04. Định luật Hess và hệ quả. CO(k) a. Định luật Hess Có thể biểu diển định luật Hess dưới dạng: Một pư có thể xảy ra theo nhiều giai đoạn,hiệu ứng C(tc) + ½ O2 (k) → CO(k) (1) ∆H1 nhiệt tổng quát bằng tổng hiệu ứng nhiệt của các CO(k) + ½ O2(k) → CO2(k) (2) ∆H2 giai đoạn trung gian. Và hiệu ứng nhiệt tổng quát (1)+(2)→(3) C(tc)+O2(k)→CO2(k) ∆H3=∆H1+∆H2 chỉ phụ vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của pư b. Hệ quả: I + J α. Phản ứng thuận nghịch ∆H1 ∆H2 0 A + B → C + D ∆H 298=∆H1+∆H2=∆H3+∆H4+∆H5 ∆Hth ∆H = ∆Hth + ∆Hng = 0 ∆H3 ∆H4 ∆H5 A + B C + D ∆H = - ∆H E + F → G + H ∆Hng th ng β. Tính hiệu ứng nhiệt của pư theo nhiệt tạo thành Xem pư tổng quát ∆H AB + CD → AC + BD mA + nB → pC + qD ∆H1 ∆H2 0 0 0 ∆H3 ∆H 298 = {m∆H tt,298[C] + n∆H tt,298[D] } A + B C + D 0 0 - { p∆H tt,298[A] + q∆H tt,298[B] } ∆H = ∆H + ∆H + ∆H 1 2 3 0 0 0 ∆H 298 = ∑∆H tt,298[sản phẩm] - ∑∆H tt,298[tác chất] ∆H1 = - 0 1.∆H̅ [AB] Td: 2NH (k) + 3/2 O (k) → N (k) + 3H O(k) ∆H2 = - tt,298 3 2 2 2 1.∆H̅0 [CD]0 0 ∆H0 = 3∆H0 [H O(k)] - 2∆H0 [NH (k)] ∆H3 = +tt,298 1.∆H̅ tt,298[AC] + 1.∆H̅ tt,298[BD] 298 tt,298 2 tt,298 3 ∆H0 = 3.(-241,8) - 2.(- 46,2) = - 633kj 0 298 ∆H= {1.∆H̅ tt,298[AC] + 1.∆H̅0 [BD]}0 -{1.tt,298∆H̅ tt,298[AB] + 0 1.∆H̅ tt,298[CD]} γ. Tính hiệu ứng nhiệ của pư theo nhiệt cháy. δ. Tính hiệu ứng nhiệt theo năng lượng liên kết. Xem pư: H2C=CH2(k) + H2(k) → H3C─CH3(k) Xem pư: H2C=CH2(k) + H2(k) → H3C─CH3(k) C2H4(k) 3O2(k) → 2CO2(k) + 2H2O(l) (1) ∆H1 ∆H1 ∆H2 ∆H3 H2(k) +1/2 O2(k) → H2O(l) (2) ∆H2 C H (k) + 7/2O (k) → 2CO (k) + 3H O(l) (3) ∆H 2C(k) + 4H(k) 2H(k) 2 6 2 2 2 3 ∆Ho = ∆H ∆H + ∆H (1) + (2) – (3) →pư cần phải tính 298 1 + 2 3 o ∆H1= EC=C + 4ECH ∆H 298= ∆H1 + ∆H2 - ∆H3 o o o ∆H2= EH-H ∆H 298= 1.∆H ch,298[C2H4(k)] + 1.∆H ch,298[H2(k)] o ∆H3= -EC-C + -6EC-H - 1.∆H ch,298[C2H6(k)] o ∆H 298= {EC=C + 4EC-H +EH-H } - {EC-C + 6EC-H} o o o ∆H 298= ∑∆H ch,298[tc] - ∑∆H ch,298[sp] o ∆H 298= ∑Eđứt - ∑Eráp
4. o III.Nguyên lý 2 nhiệt động lực học - chiều quá trình Xét dấu ∆H 298 của phản ứng: ∆Ho 0 pư thu nhiệt: pư khó xãy ra. Tự nhiên nAmol Chân o nAmol khí ∆H 298 = 0 pư đoạn nhiệt: pư khó xãy ra. khí không Pư có ∆H càng Q A B ; A B A B Vậy: Mỗi trạng thái của hệ được biểu diển bởi 1 n nA nA nA A Q hàm số xác suất entropi S (entropi S là hàm số biểu diển độ tự do,xáo trộn,bất trật tự,và xác suất hiện diện phân tử của hệ),mà biến thiên của S được cho Đxt,đtd (A) = (B) Đxt,đtd (A)↑ > (B) bởi hệ thức: Biến thiên của đxt,đtd của hệ tỷ lệ thuận với Quá trình thuận nghịch ∆S =Q /T lượng nhiệt Q trao đổi của hệ. Q hê tn Q = Q VA = VB ; TA > TB A B ∆Shê ≥ ── Quá trình tự nhiên ∆Shệ >Qktn/T n n nA nA T A A Q o Mỗi hóa chất đều có 1 giá trị S̅ 298 > 0 xác định. Hóa chất có S↑ độ tự do ↑ Đtd(A) > (B) ∆đtd(A) S > S ∆ đtd của hệ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ đang khảo sát của hệ k l r 2. Tính biến thiên entropi của 1 phản ứng. 3. Xét dấu ∆S của pư: Xem pư: mA + nB → pC + qD ∆S > 0 dể xãy ra. Một pư có: ∆S = 0 khó xãy ra. ∆S↑ dể xr ∆So ={ pS̅o [C]+qS̅o [D]}- 298 298 298 ̅o ̅o ∆S 0 ∆S > 0; ∆n<0 ∆S<0; ∆n=0 tính cụ thể ∆G= G2 – G1 = (H2 – TS2) – (H1 – TS1) ∆G=(H2 – H1) – T(S2 – S1)= ∆H - T∆S N2(k) + 3H2(k) → 2NH3(k) có ∆n= 2-1-3=-2 ∆S<0 o o o ∆G T = ∆H T - T∆S T
5. ∆H 0 ∆G 0,∆S 0: pư tự xãy ra theo chiều nghịch hóa chất từ các đơn chất bền ở đkc. │∆H│>│T∆S│ ∆G 0:pư tự xr (←). o o │∆H│=│T∆S│ ∆G=0:pư( ) ∆G 298 = ∆G̅ tt,298[H2O(k)] o │∆H│>│T∆S│ ∆G>0:pư tự xr(←) . ∆G̅ tt,298[đơn chất] = 0 * ∆H>0,∆S>0: │∆H│ 0,∆S 0,∆S>0 ∆H 0 - {m∆G tt,298[A] + ∆H>0,∆S=0 o n∆G̅ tt,298[B]} o o ∆G = ∑∆G̅ [sp] - ∆H=0,∆>0 298 tt,298 ∆H<0,∆S=0 ∆H=0,∆S=0 o ∑∆G̅ tt,298[tc] ∆H=0,∆S<0