Bài giảng Hoá học đại cương chương 2.1 Nhiệt động học hóa học, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản; Áp dụng nguyên lý I của nhiệt động học vào hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!
§1 Các khái niệm §2 Áp dụng nguyên lý I nhiệt động học vào hóa học §3 Áp dụng nguyên lý II nhiệt động học vào hóa học §1 Các khái niệm Hệ nhiệt động môi trường: - Hệ nhiệt động (gọi tắt hệ): vật thể hay nhóm vật thể chọn làm đối tượng nghiên cứu Phần lại bao quanh hệ môi trường - Các loại hệ: *Hệ mở: hệ mơi trường có trao đổi chất lượng *Hệ kín: hệ môi trường không trao đổi chất trao đổi lượng * Hệ cô lập: hệ môi trường khơng trao đổi chất lượng §1 Các khái niệm Trạng thái thông số trạng thái Trạng thái vĩ mô hệ xác định tập hợp đại lượng vật lý: khối lượng, áp suất, nhiệt độ, thể tích Các đại lượng thơng số trạng thái - Thông số trạng thái dung độ (khuếch độ): Thông số tỷ lệ với lượng chất (vd: khối lượng, số mol, thể tích ) - Thơng số trạng thái cường độ: Thông số không tỷ lệ với lượng chất (vd: nhiệt độ, áp suất ) - Một hệ trạng thái cân thông số trạng thái hệ khơng biến đổi theo thời gian §1 Các khái niệm Hàm trạng thái: Hàm trạng thái hàm mà giá trị phụ thuộc vào thơng số trạng thái Vd: n mol khí lý tưởng có hàm trạng thái p.V = n.R.T - Một thơng số trạng thái hàm trạng thái Vd: p.V T= n.R Quá trình thơng số q trình - Q trình: khối khí xi lanh giãn nở từ vị trí 1→2 Nó nhận nhiệt giãn nở sinh công Q, A xuất ta thực trình A, Q thơng số q trình → Q trình thay đổi trạng thái hệ có thay đổi thông số trạng thái Trạng thái trạng thái §1 Các khái niệm Quá trình thơng số q trình - Những loại q trình: Q trình đẳng nhiệt: q trình có nhiệt độ hệ không đổi (T = const) Q trình đoạn nhiệt: q trình hệ khơng trao đổi nhiệt với môi trường (Q = 0) Quá trình đẳng tích: q trình tích hệ khơng đổi (V = const) Q trình đẳng áp: q trình có áp suất hệ khơng đổi (p = const) Thơng số q trình: - Trong q trình diễn ra, hệ trao đổi lượng với môi trường dạng nhiệt công Nhiệt cơng gọi thơng số q trình - Nhiệt (Q) trao đổi lượng dạng vi mô chuyển động hỗn loạn tiểu phân - Công (A) trao đổi lượng dạng vĩ mơ, có trật tự theo hướng xác định Công (A) nhiệt(Q): Đơn vị jun (J) kJ Công nhiệt phụ thuộc vào cách tiến hành trình Quy ước Q > 0, A > Hệ nhận nhiệt, sinh công Q < 0, A < Hệ toả nhiệt, nhận công Cơng = Cơng giãn nỡ + Cơng hữu ích Cơng giãn nở: liên quan đến thay đổi V Công hữu ích: khơng liên quan đến thay đổi V, VD điện p/ứ điện hố • Đối với p/ứ khơng điện hóa, coi cơng hữu ích = Ví dụ: Hệ khí lý tưởng nhận nhiệt Q giãn nở từ thể tích V1 đến thể tích V2 nhiệt độ khơng đổi Cơng giãn nở khí lý tưởng A= p.dV §1 Các khái niệm Quá trình thuận nghịch trình bất thuận nghịch - Khí pit tơng trượt khơng ma sát - Cho dần gia trọng pit tơng bị nén q trình biểu thị đường 2d’c’b’a’1, lấy dần gia trọng hệ khí giãn nở biểu thị theo đường 1abcd2 ta thấy: A nén > A giãn - Nếu thay toàn gia trọng hạt cát mịn có khối lượng tương đương q trình nén giãn thực liên tục với hạt cát hoàn toàn trùng nhau: đường - - §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Xét phản ứng: AB + CD → AC + BD có hiệu ứng nhiệt ∆H Ta tiến hành phản ứng sau Phân hủy: AB → A + B - ∆Hs,AB CD → C + D - ∆Hs,CD sau kết hợp lại: A + C → AC ∆Hs,AC B + D → BD ∆Hs,BD Theo định luật Hess ta có: ∆H = ∆Hs,AC + ∆Hs,BD - ∆Hs,AB - ∆Hs,CD Hệ 2: Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học tổng nhiệt sinh chất sản phẩm trừ tổng nhiệt sinh chất tham gia phản ứng (có kể tới hệ số tỷ lượng) §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Hệ 3: Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học tổng nhiệt cháy chất tham gia phản ứng trừ tổng nhiệt cháy chất sản phẩm (có kể tới hệ số tỷ lượng) Xét phản ứng AB + CD → AC + BD có hiệu ứng nhiệt ∆H Ta có ∆H = ∆Hc,AB + ∆Hc,CD - ∆Hc,AC - ∆Hc,BD Hay ∆H = (∆Hc,AB + ∆Hc,CD)- (∆Hc,AC + ∆Hc,BD) Ví dụ áp dụng: VD1: Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng: C2H4 (k) + H2 (k) C2H6 (k) Cho biết: 298K Hos,298 (C2H4 (k)) = 52,30 kJ/mol Hos,298 (C2H6 (k)) = - 84,68 kJ/mol Giải: Ho298 = Hos,298 (C2H6 (k)) - Hos,298 (C2H4 (k)) = = - 84,68 - 136,98 kJ - 52,30 25 Ví dụ áp dụng: VD2: Nhiệt tạo thành H2O lỏng khí CO2 25oC 1atm -285,83 kJ/mol -393,51 kJ/mol Nhiệt đốt cháy CH4 điều kiện -890,91 kJ/mol Hãy tính nhiệt sinh CH4 25oC (Áp suất P không đổi) Giải: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + H theo đầu H = - 890,91 (kJ/mol) P = const: theo hệ định luật Hess ta có Vậy: ΔH = 2.ΔHS,H2O + ΔHS,CO2 - ΔHS,CH4 ΔHS,CH4 = 2.ΔHS,H2O + ΔHS,CO2 - H Hs, CH4 = (- 285,83) + (-393,51) + 890,91 = -74,26 (kJ/mol) §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học III Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Nhiệt dung mol đẳng tích (CV) nhiệt dung mol đẳng áp (CP): + Nhiệt dung mol: Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ mol chất nguyên chất lên độ khoảng nhiệt độ khơng xảy biến đổi trạng thái chất ( nóng chảy, sơi, thăng hoa ) Q Q C= = T2 -T1 ΔT Khi ∆T → δQ C= dT §2 Áp dụng ngun lý I vào hóa học + Nhiệt dung mol đẳng tích (CV): Nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ mol chất nguyên chất lên độ điều kiện thể tích khơng đổi khoảng nhiệt độ khơng xảy biến đổi trạng thái chất + Nhiệt dung mol đẳng áp (CP): nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ mol chất nguyên chất lên độ điều kiện áp suất khơng đổi khoảng nhiệt độ khơng xảy biến đổi trạng thái chất Cv, Cp: số hàm nhiệt độ §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Nhiệt biến đổi trạng thái ( nhiệt chuyển pha) Nếu p = const (hoặc V = const) chất nguyên chất thay đổi trạng thái ( nóng chảy đơng đặc; bay hóa lỏng; thăng hoa hóa rắn từ hơi; biến đổi thù hình qua trình nhiệt độ khơng thay đổi hệ mơi trường có trao đổi lượng liên tục Nhiệt lượng trao đổi tính cho1 mol chất gọi nhiệt biến đổi trạng thái hay nhiệt chuyển pha (∆Hcf ∆Ucf ) Vd: Nhiệt nóng chảy ∆Hnc ∆Unc Nhiệt thăng hoa ∆Hth ∆Uth Nhiệt biến đổi trạng thái (Nhiệt chuyển pha) Nhiệt lượng trao đổi với môi trường 1mol chất biến đổi trạng thái gọi nhiệt biến đổi trạng thái hay nhiệt chuyển pha Nóng chảy RẮN Đơng đặc LỎNG Ngưng tụ Thăng hoa Ngưng mù Bay HƠI 30 §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệt độ - định luật Kirchshoff p= const: cho ∆H1 phản ứng T1 cho biết nhiệt dung mol chất, xác định ∆H2 phản ứng T2 aA + bB cC + dD T1 ΔH1 (a Cp,A + b Cp,B )(T2 -T1 ) (c Cp,C + d Cp,D )(T2 -T1 ) aA + bB cC + dD ΔH2 T2 §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Theo định luật Hess ta có H2 + (a Cp,A + b Cp,B )(T2 -T1 ) = H1 + (c Cp,C + d Cp,D )(T2 -T1 ) Hay H2 = H1 + [(c Cp,C + d Cp,D ) - (a Cp,A + b Cp,B )](T2 -T1 ) Đặt [(c Cp,C + d Cp,D ) - (a Cp,A + b Cp,B )] = Cp ∆Cp gọi biến thiên nhiệt dung mol đẳng áp Do H2 = H1 + CP (T2 -T1 ) Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt phản ứng vào nhiệt độ - định luật Kirchshoff + Khi ∆T→ (khoảng nhiệt độ vô bé) Ta có (ΔH T ) = ΔCp T Phát biểu định luật: “Hệ số nhiệt độ hiệu ứng nhiệt biến thiên nhiệt dung mol chất phản ứng” + Để xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệt độ biết hiệu ứng nhiệt T1 ta có T2 HT2 HT1 CP dT T1 §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt phản ứng vào nhiệt độ định luật Kirchshoff Hiệu ứng nhiệt phản ứng hoá học phụ thuộc vào nhiệt độ: T2 HT2 HT1 CP dT T1 ΔHT1, ΔHT2: hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệt độ tương ứng ΔCP: biến thiên nhiệt dung mol đẳng áp phản ứng C P n1 C P (cuoi) n2 C P ( dau) §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt phản ứng vào nhiệt độ định luật Kirchshoff Trong trường hợp T1 = 298K, ta xác định hiệu ứng nhiệt nhiệt T T ΔH T = ΔH 298 + ΔCP dT 298 Trong khoảng nhiệt độ hẹp: Cp khơng phụ thuộc nhiệt độ ta có HT = H298 + CP (T - 298) Ví dụ áp dụng VD1: Xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O 27oC, cho NaOH CO2 Na2CO3 H2O Hos, 298 (kJ/mol) -426,77 -393,51 -1130,94 -285,83 Cop,298 (J/mol.K) 51,17 37,13 60,58 75,3 Cop không phụ thuộc vào nhiệt độ Giải: Theo hệ định luật Hess ta có 0 0 ΔH0298 = ΔHs,298,Na + ΔH 2ΔH ΔH s,298,H2 O s,298,NaOH s,298,CO2 CO3 Ho298 = -169,72 kJ = -169720 J ΔC0p,298 = C0p,298,Na 2CO3 + C0p,298,H2O - 2Cp 0p,298,NaOH - C0p,298,CO2 → ∆C0P, 298 = -3,59 J/K H0300 = Ho298 + ∆C0P, 298 (300 - 298) = -169720 + (-3,59) = -169727,2J VD2: Cho p/ứ: CH4 (k) + 4Cl2 (k) CCl4 (k) + 4HCl (k) Cop 35,71 33,93 29,12 83,51 (J/mol.K) Ho298 = - 401,08 (kJ) Tính Hop/ứ 600K ? ΔHoT ΔHo298 ΔCop (T 298) Cop = Cop(sản phẩm) - Cop(tham gia) = [29,12 + 4*83,51] – [35,71 + 4*33,93] = 191,73 (J/K) Ho600 = Ho298 + Cop (600 – 298) = - 401,08 + 191,73 10-3 (600-298) =-343,18 (kJ) 37 ... Ho298 = -1 69,72 kJ = -1 69720 J ΔC0p,298 = C0p,298,Na 2CO3 + C0p,298,H2O - 2Cp 0p,298,NaOH - C0p,298,CO2 → ∆C0P, 298 = -3 ,59 J/K H0300 = Ho298 + ∆C0P, 298 (300 - 298) = -1 69720 + (-3 ,59) = -1 69727,2J... (k)) = - 84,68 kJ/mol Giải: Ho298 = Hos,298 (C2H6 (k)) - Hos,298 (C2H4 (k)) = = - 84,68 - 136,98 kJ - 52,30 25 Ví dụ áp dụng: VD2: Nhiệt tạo thành H2O lỏng khí CO2 25oC 1atm -2 85,83 kJ/mol -3 93,51... Vậy: ΔH = 2.ΔHS,H2O + ΔHS,CO2 - ΔHS,CH4 ΔHS,CH4 = 2.ΔHS,H2O + ΔHS,CO2 - H Hs, CH4 = (- 285,83) + (-3 93,51) + 890,91 = -7 4,26 (kJ/mol) §2 Áp dụng nguyên lý I vào hóa học III Sự phụ thuộc hiệu ứng