CHƯƠNG 2: CHIỀU VÀ GIỚI HẠN CỦA QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

CHƯƠNG 2: CHIỀU VÀ GIỚI HẠN CỦA Q TRÌNH HĨA HỌC Mục tiêu: - Hiểu nội dung nguyên lí II nguyên lí III nhiệt động học - Xét chiều tự diễn biến q trình hóa học Quá trình tự diễn biến Giữa kỉ XIX, Bertlo Tomxen đưa nguyên lí: Bất kì q trình hóa học xảy kèm theo giải phóng lượng 𝐾𝑖ể𝑚 𝑐ℎứ𝑛𝑔 Sự trộn lẫn hai khí vào nhau: ∆H = Sự hòa tan 1mol NaCl vào nước: ∆H = 5kJ/mol H2O(r) → H2O(l) → H2O(k), ∆H > 𝐾ế𝑡 𝑞𝑢ả toàn Ngun lí Bertlo Tomxen khơng hồn 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học 2.1.1 Entropi - Xét khí N2 O2: - Q trình tự diễn biến, NL hệ không đổi: ∆H = - Ở trạng thái A có mức độ hỗn loạn nhỏ trạng thái B - Xác suất nhiệt động hệ tạo thành là: W = W1.W2 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học 2.1.1 Entropi - Xác suất nhiệt động??? Số cách tương đương mặt lượng để xếp thành phần hệ A B 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học * Tính chất entropi: - Entropi có tính chất cộng: Shệ = S1+ S2 + … + Sn - Xét mol chất điều kiện: Srắn < Slỏng < Skhí SR < SL SL < SK 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học * Tính chất entropi: - Ở trạng thái vật lí, hệ phức tạp (phân tử phức tạp) entropi lớn 0 Ví dụ: S298(NO) < S298(NO 2) 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học * Tính chất entropi: - S = f(T): entropi tăng nhiệt độ tăng 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học 2.1.3 Một số phương pháp tính biến đổi entropi - Q trình giãn nở thuận nghịch, đẳng nhiệt khí lí tưởng: ∆S = Qtn T V2 V1 = nR ln = nRTln P1 P2 - Khi thay đổi trạng thái chất nguyên chất điều kiện đẳng áp: ∆Sc.pha = ∆𝐇𝐜.𝐩𝐡𝐚 𝐓 Ví dụ: Tính S cho q trình nóng chảy 10 mol nước đá 273K , 1atm cho biết Qđđ = - 6008,22J/mol 2.1 Nguyên lí II nhiệt động học 2.1.3 Một số phương pháp tính biến đổi entropi - Sự biến đổi entropi chất nguyên chất theo nhiệt độ: P = const: ∆S = V = const: ∆S = Qp T = T2 dT C T1 p T T2 dT Cv T T = = Cp.ln T2 T1 T2 Cv.ln T1 Ví dụ: Tính S q trình đun nóng mol nước lỏng từ 00C lên 250C.Cho biết Cp= 75,24J/mol.K 2.2 Nguyên lí III nhiệt động học 2.2.1 Phát biểu nguyên lí III nhiệt động học Khi nhiệt độ giảm → chuyển động nguyên tử, phân tử giảm → entropi giảm Giới hạn entropi ??? Ở nhiệt độ nào??? Walther Nernst (1907) Nguyên lí III nhiệt động học: Entropi chất nguyên chất dạng tinh thể hồn hảo nhiệt độ khơng tuyệt đối khơng 2.2 Ngun lí III nhiệt động học 2.2.1 Phát biểu nguyên lí III nhiệt động học 2.2 Nguyên lí III nhiệt động học 2.2.2 Entropi chuẩn - Entropi chuẩn: S298 - Đơn vị: J/mol.K hay cal/mol.K 2.2 Nguyên lí III nhiệt động học 2.2.3 Sự biến đổi entropi phản ứng hóa học * Lưu ý: Entropi thường tăng trường hợp sau: - Phản ứng mà phân tử chất phân hủy tạo nhiều phân tử nhỏ - Phản ứng mà có số mol chất khí tạo thành tăng - Q trình mà có chuyển từ chất rắn sang chất lỏng chất khí Ví dụ: 2N2O(k) → 2N2(k) + O2(k) N2O4(k) 2NO2(k) H2O(r) → H2O(l) → H2O(k) 2.2 Nguyên lí III nhiệt động học 2.2.3 Sự biến đổi entropi phản ứng hóa học Cho phản ứng tổng quát (P = const): aA + bB → cC + dD ∆S = [c.S(C) + d.S(D)] - [a.S(A) + b.S(B)] ∆S298 = S298 chất tạo thành − S298 chất tham gia Ví dụ: Tính ∆S298 ? a) 2Mg(r) + CO2(k) → 2MgO(r) + C(gr) S298 (J/mol.K) 32,5 213,6 26,78 5,69 b) N2(k) + 3H2(k) → 2NH3(k) S298 (J/mol.K) 192 131 193 2.3 Thế nhiệt động, tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn q trình hóa học 2.3.1 Thế nhiệt động Chiều hướng trình chịu tác động yếu tố: - ∆H < 0: Quá trình dễ xảy - ∆S > 0: Quá trình dễ xảy Yếu tố mạnh định chiều phản ứng Thế nhiệt động hay entanpi tự Kí hiệu G: G = H – TS Sự biến đổi nhiệt động: ∆G = ∆H – T∆S 2.3 Thế nhiệt động, tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn trình hóa học 2.3.1 Thế nhiệt động ∆G = ∆H – T∆S ∆H 0 ∆S ∆G 0 0 Không xác định 2.3 Thế nhiệt động, tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn q trình hóa học 2.3.2 Thế đẳng áp chuẩn tạo thành chất Thế đẳng áp chuẩn tạo thành chất biến thiên đẳng áp phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất bền điều kiện chuẩn Kí hiệu ∆G298,s Ví dụ: N2(k) + H 2(k) 0 → NH3(k) , ∆G298(pứ) = ∆G298,s(NH 3) 2.3 Thế nhiệt động, tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn q trình hóa học 2.3.2 Thế đẳng áp chuẩn tạo thành chất Thế đẳng áp chuẩn tạo thành đơn chất bền Xét phương trình tổng quát: aA + bB → cC + dD Entapi tự hàm trạng thái, nên: ∆G = (c∆GC + d∆GD) – (a∆GA + b∆GB) Ở điều kiện chuẩn: ∆G298,pứ = ∆ G298 chất sản phẩm − ∆G298 chất tham gia 2.3 Thế nhiệt động, tiêu chuẩn tự diễn biến giới hạn q trình hóa học 2.3.3 Bài toán khảo sát chiều tự diễn biến phản ứng hóa học Ví dụ 1: CH4(k) + H2O(k) ∆H298,s (kJ/mol) -74,8 -241,8 S298 (J/mol.K) 186,2 188,7 CO(k) + -110,5 197,6 Ví dụ 2: FeO(r) + CO(k) → CO2 (k) + ∆H298,s (kJ/mol) -63,7 -26,42 -94,052 S298 (J/mol.K) 1,36 47,3 51,06 a) Ở 298K, phản ứng có tự xảy hay không? b) Ở nhiệt độ phản ứng không tự xảy ra? 3H2(k) 130,7 Fe(r) 6,49