Bài giảng Hoá đại cương: Chương 3 cung cấp cho người học những kiến thức như: Một số khái niệm; Nguyên lý I và hiệu ứng nhiệt; Nguyên lý II và entropy; Thế đẳng áp và chiều xảy ra quá trình hóa học; Cân bằng hóa học. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC TÀI LIỆU NỘI DUNG Một số khái niệm [1] – Chương 6: trang 226 – 78 Chương 7: trang 257 – 275 Nguyên lý I hiệu ứng nhiệt Chương 8: trang 276 – 297 Nguyên lý II [2] – Chapter 6: page 182 – 214 entropy Chapter 14: page 486 – 519 Thế đẳng áp Chapter 18: page 606 – 635 chiều xảy q trình hóa học Cân hóa học Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Một số khái niệm Hệ (nhiệt động): Hệ tập hợp vật thể xác định khơng gian phần cịn lại xung quanh mơi trường Đối với hóa học, hệ lượng định hay nhiều chất điều kiện nhiệt độ, nồng độ áp suất Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Các loại hệ: hệ hở, hệ kín, hệ lập, hệ đồng thể, hệ dị thể, pha, hệ cân Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Trạng thái (nhiệt động): Trạng thái hệ xác định tập hợp thơng số biểu diễn tính chất hóa lý hệ nhiệt độ, áp suất, thành phần, lượng, thể tích … thơng số gọi thông số trạng thái (gồm thông số dung độ thông số cường độ) Trạng thái cân bằng: trạng thái tương ứng với hệ cân Quá trình (nhiệt động): biến đổi hệ mà có thơng số trạng thái bị thay đổi Q trình: đẳng áp, đẳng nhiệt, đẳng tích, thuận nghịch bất thuận nghịch Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Nguyên lý I hiệu ứng nhiệt 2.1 Nguyên lý I, nội công a Nội hệ (U): lượng sẵn có bên hệ, bao gồm: lượng chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay dao động phân tử, lực hút (đẩy) phân tử hệ… Nội thông số dung độ (tỷ lệ với lượng chất) Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Khi hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái 2, độ biến đổi nội hệ: U = U2 U1 Nội hàm trạng thái, nghĩa giá trị khơng phụ thuộc vào cách biến đổi hệ (khơng phụ thuộc vào đường q trình) Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC b Cơng (w – work): Công truyền lượng vào khỏi hệ dạng lực để chống lại lực từ bên tác dụng lên hệ hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái Lực bên tác dụng lên hệ: áp suất, điện trường, từ trường, sức căng bề mặt… Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Đối với q trình hóa học, cơng chủ yếu cơng giãn nở chống lại áp suất bên ngồi: v2 w PdV PdV v1 c Nguyên lý I: Khi cung cấp cho hệ lượng nhiệt Q lượng nhiệt dùng để tăng nội U hệ để thực công w chống lại lực bên tác dụng lên hệ: Q = U + (-w) hay U = Q + w Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HĨA HỌC 2.2 Các q trình đẳng tích, đẳng áp nội năng, entanpy, hiệu ứng nhiệt Áp dụng nguyên lý I (U = Q + w), xét q trình đẳng tích, đẳng áp: a Q trình đẳng tích, nội nhiệt đẳng tích Q trình đẳng tích: V = const dV = w = Qv = U (Qv: nhiệt đẳng tích) Q trình đẳng tích: lượng nhiệt mà hệ trao đổi dùng để biến đổi nội hệ Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC b Q trình đẳng áp, entanpy nhiệt đẳng áp Quá trình đẳng áp: P = const w = -P(V2 – V1) = -PV U = Q + w Qp = U + PV = (U2-U1) + P(V2-V1) = (U2+PV2) – (U1+PV1) Đặt: (U + PV) = H Qp = H2 – H1 = H H = U + PV Quá trình đẳng áp: nhiệt Qp: nhiệt đẳng áp; mà hệ trao đổi dùng để biến đổi entanpy H: entanpy; H: biến đổi entanpy Chương nvhoa102@gmail.com 10 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Cân hóa học 5.1 Khái niệm cân hóa học • Phản ứng chiều phản ứng xảy hồn tồn theo chiều xét • Phản ứng thuận nghịch phản ứng xảy theo hai chiều ngược nhau, chúng có đặc điểm xảy khơng đến cùng, mà xảy đạt trạng thái cân hóa học Chương nvhoa102@gmail.com 46 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HĨA HỌC Trạng thái cân hóa học • Là trạng thái phản ứng hóa học có vận tốc phản ứng thuận vận tốc phản ứng nghịch tỉ lệ lượng chất chất phản ứng với sản phẩm phản ứng không thay đổi điều kiện bên ngồi định • Trạng thái cân hóa học có đặc điểm: vthuận = vnghịch Chương nvhoa102@gmail.com 47 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Khơng thay đổi theo thời gian khơng có điều kiện bên thay đổi Sẽ thay đổi điều kiện bên thay đổi, điều kiện ban đầu tái lập trạng thái cân tái lập Không phụ thuộc vào cách tạo trạng thái cân Cân hóa học cân động Tương ứng với độ thay đổi đẳng áp G = Chương nvhoa102@gmail.com 48 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC 5.2 Hằng số cân mức độ diễn phản ứng hóa học aA + bB ⇌ cC + dD c d p o C pD • Khi chất trạng thái khí: G G + RT ln a b p A pB c d [C] [D] o G G + RT ln • Khi chất trạng thái dd: [A] a [B] b Với pi [i] áp suất riêng phần nồng độ chất i điều kiện Chương nvhoa102@gmail.com 49 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC • Khi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng: G = c d C D a b A B c d [C] [D] PP o G = RT ln ; G RT ln [A]a [B]b P P Với Pi [i] áp suất riêng phần nồng độ chất i ở trạng thái cân • Ở to = const Go = const nên: PCc PDd [C]c [D]d K P = a b = const ; KC = = const a b PA PB [A] [B] o KP: số cân áp suất riêng phần Kc: số cân nồng độ Chương nvhoa102@gmail.com 50 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC • Lưu ý: Nếu tham gia vào phản ứng có chất khí, lỏng rắn biểu thức số cân ý đến chất khí Ví dụ: Phản ứng: aA(k)+ bB(l) ⇌ cC(r) + dD (k) PDd KP = a PA • Mối liên hệ Kc Kp: KP = KC (R T)n Trong đó, n = (c + d) (a + b) Chương nvhoa102@gmail.com 51 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC • Giá trị K phụ thuộc vào cách viết phản ứng Ví dụ: SO2(k) + O2(k) ⇌ SO3(k) SO2(k) + ½O2(k) ⇌ SO3(k) KP = / P K = PSO PSO P O2 PSO3 1/2 O2 PSO2 P K P ( K P/ ) • K khơng có đơn vị Chương nvhoa102@gmail.com 52 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Ý nghĩa số cân bằng: - K số nhiệt độ định, K phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc nồng độ áp suất - K cho biết mức độ xảy phản ứng định tính (nơng, sâu) định lượng (hiệu suất) - Dựa vào K, tính tốn đại lượng liên quan trạng thái cân bằng: nồng độ, lượng chất tham gia vào cân bằng, hiệu suất phản ứng Chương nvhoa102@gmail.com 53 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Ví dụ: cho phản ứng FeO(r) + CO(k) ⇌ Fe(r) + CO2(k) Tính nồng độ CO, CO2 lúc cân 1000 oC, biết số cân KC=0,5 nồng độ ban đầu CO 0,06M Sau cân phản ứng thiết lập (ở điều kiện cho), thêm vào mol/L CO Tính nồng độ CO, CO2 lúc cân thiết lập Tính hiệu suất tổng cộng phản ứng ĐS: 1) [CO] = 0,04 M; [CO2] = 0,02 M 2) [CO] = 0,707 M; [CO2] = 0,353 M Chương nvhoa102@gmail.com 3) 33,3 % 54 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC • Mối liên hệ K đại lượng nhiệt động: - Ở điều kiện chuẩn: ΔG o298 = ΔΗ o298 T.ΔSo298 = RT lnK P - Ở điều kiện bất kỳ: c d c d p p p o C D C pD G T = G + RT ln a b = RT ln K P RT ln a b pA pB pA p B pi áp suất riêng phần khí điều kiện c d c d [C] [D] [C] [D] G T = G o + RT ln = RT ln K C RT ln a b [A] [B] [A] a [B] b [i] nồng độ chất điều kiện Chương nvhoa102@gmail.com 55 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC • Khi biết chiều xảy phản ứng biết mức độ diễn Ví dụ 1: cho phản ứng 2NO(k) ⇌ N2O4(k) Ho298tt (kJ/mol) 33,18 9,16 So298 (J/mol) 239,95 304,18 Ở 25 oC áp suất riêng phần khí atm, phản ứng có xảy khơng? Nếu có hiệu suất bao nhiêu? Xác định chiều xảy phản ứng cho điều kiện 25 oC áp suất riêng phần khí NO2, N2O4 tương ứng: Chương nvhoa102@gmail.com 56 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC a 0,9 atm 0,1 atm b 0,6875 atm 0,3125 atm; c 0,1 atm 0,9 atm Ví dụ 2: cho phản ứng CaCO3(r) ⇌ CaO (r) + CO2(k) Tính số cân phản ứng 25 oC xác định nhiệt độ mà áp suất nhiệt phân CaCO3 atm Chương nvhoa102@gmail.com 57 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC 5.3 Sự dịch chuyển cân Khái niệm: Là biến đổi trạng thái cân thay đổi điều kiện bên (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) định trạng thái cân hệ Nguyên nhân: Do tốc độ phản ứng thuận phản ứng nghịch biến đổi khác Nguyên lý dịch chuyển cân (Le Châtelier): Khi thay đổi điều kiện định vị trí cân bằng, vị trí cân hệ dịch chuyển phía làm giảm hiệu tác dụng Chương nvhoa102@gmail.com 58 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HĨA HỌC Các yếu tố ảnh hưởng: • Nồng độ: Đối với hệ cân bằng, tăng hay giảm nồng độ chất cân dịch chuyển phía làm giảm (hay tăng) nồng độ chất • Áp suất: Đối với hệ cân chất khí, tăng áp suất hệ cân dịch chuyển phía làm giảm áp suất (phía tạo thành phân tử khí hơn) ngược lại • Nhiệt độ: Đối với hệ cân bằng, tăng nhiệt độ cân dịch chuyển theo chiều thu nhiệt ngược lại Chương nvhoa102@gmail.com 59 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC Ví dụ: N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k) Ho298 = - 110 kcal/mol Cân dịch chuyển: • Khi tăng nồng độ hydro: theo chiều thuận • Khi tăng nhiệt độ hệ: theo chiều nghịch • Khi tăng áp suất hệ: theo chiều thuận Chương nvhoa102@gmail.com 60 ... Ho298ttCaCO3 = - 635 ,1 + ( -3 9 3,5) – (-1 206,9) = 178 ,3 kJ/mol Ví dụ 3: Xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng: 4NH3(k) + 5O2(k) 4NO(k) + 6H2O(k) ĐS: -9 06 kJ Chương nvhoa102@gmail.com 22 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG... ứng: CH3COOH(l) + C2H5OH(l) = CH3COOC2H5(l) + H2O(l) Biết nhiệt đốt cháy CH3COOH (-8 74,58 kJ/mol); C2H5OH ( 136 7,58 kJ/mol); CH3COOC2H5 (-2 238 ,36 kJ/mol) Theo hệ II: Ho298 = (-8 74,58) + (- 136 7,58)... = -3 9 3,51 kJ/mol (2) CO(k) + ½O2(k) CO2(k), Ho3 = -2 82,99 kJ/mol (3) Chương nvhoa102@gmail.com 21 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC Q TRÌNH HĨA HỌC (2) = (1) + (3) Ho2 = Ho1 + Ho3