Bài giảng hóa lý 1

TRƯỜNG ĐHDL LẠC HỒNG KHOA SINH HỌC VÀ KH MÔI TRƯỜNG BÀI GIẢNG MÔN HÓA LÝ Đồng Nai, tháng 08 năm 2005 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 2 PHÂN BỔ THỜI GIAN DẠY ÔN THI TỐT NGHIỆP STT TÊN CHƯƠNG S Ố TIẾT GHI CHÚ 1 NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 12 2 NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 12 3 CÂN BẰNG HÓA HỌC 6 4 LÝ THUYẾT CÂN BẰNG PHA 5 5 DUNG DỊCH VÀ CÂN BẰNG DUNG DỊCH HƠI 5 6 CÂN BẰNG GIỮA DUNG DỊCH LỎNG VÀ PHA RẮN 5 7 ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 30 8 ĐIỆN HÓA HỌC 15 9 HÓA KEO 15 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined. MỤC LỤC 3 HỌC PHẦN HÓA LÝ I 4 CHƯƠNG I : NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 4 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 8 CHƯƠNG III: CÂN BẰNG HÓA HỌC 11 CHƯƠNG IV: LÝ THUYẾT CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CÂN BẰNG PHA 14 CHƯƠNG V: DUNG DỊCH VÀ CÂN BẰNG DUNG DỊCH – HƠI 20 CHƯƠNG VI: CÂN BẰNG GIỮA DUNG DỊCH LỎNG VÀ PHA RẮN . 38 HỌC PHẦN HÓA LÝ II 43 CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 43 CHƯƠNG II: ĐIỆN HÓA HỌC 48 CHƯƠNG III: HÓA KEO 61 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 4 HỌC PHẦN HÓA LÝ I CHƯƠNG I : NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I. Một số khái niệm cơ bản: 1. Hệ: là một phần vật chất vĩ mô được giới hạn để nghiên cứu. Ngoài hệ là môi trường. giới hạn giữa hệ và môi trường là biên  Hệ mở: là hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường  Hệ đóng: là hệ không thể trao đội chất, song có thể trao đổi năng lượng với môi trường.  Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường  Hệ đoạn nhiệt: là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường. Hệ cô lập bao giờ cũng đoạn nhiệt. 2. Trạng thái: là tập hợp các tính chất vĩ mô của hệ Thông số trạng thái: là những đại lượng vật lý vĩ mô đặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ. Thí dụ: T, P, V, m, C, d thông số trạng thái được chia thành hai loại: thông số cường độ ( không phụ thuộc vào lượng chất) và thông số dung độ (phụ thuộc vào lượng chất). 3. Hàm trạng thái: là những đại lượng đặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ. U = U( T, P, n i ) S = S( T, P, n i ) 4. Quá trình: là con đường mà hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, dù chỉ thay đổi một trạng thái cũng làm thay đổi trạng thái của hệ Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 5 5. Pha: là tập hợp những phần đồng thể của hệ có cùng thành phần hoá học và có cùng tính chất lý, hoá ở mỗi điểm. 6. Nội năng: là toàn bộ năng lượng tiềm tàng trong hệ: năng lượng nguyên tử, phân tử, hạt nhân 7. Nhiệt và công Đây là hai hình thức truyền năng lượng của hệ. Công ký hiệu là A và nhiệt ký hiệu là Q. Quy ước dấu Công A Nhiệt Q Hệ sinh > 0 < 0 Hệ nhận < 0 > 0 II. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 1. Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học và nội năng U Nội dung: trong một quá trình bất kỳ biến thiên nội năng U của hệ bằng nhiệt mà hệ nhận trừ đi công mà hệ sinh. U = Q - A 2. Áp dụng nguyên lý thứ nhất cho một số quá trình. a. Qúa trình đẳng tích: V= hằng số, dV=0. Do quá trình là đẳng tích nên công thể tích không thực hiện được. Do đó: Q V = ΔU. Vậy: nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng với biến thiên nội năng của hệ. Trong phương trình phản ứng : U = n RT b. Quá trình đẳng áp: P = hằng số, dP=0. Công thực hiện trong trường hợp này là: A p = P.(V 2 -V 1 ). Và H = U + PV Do đó nhiệt của quá trình: Q p = ΔH. Vậy: nhiệt hệ nhận được trong quá trình đẳng áp bằng biến thiên enthalpy của hệ. Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 6 c. Qúa trình đẳng áp của khí lý tưởng: P = hằng số, dP = 0. Theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng với n mol khí như sau: PV=nRT. Trong đó R là hằng số khí lý tưởng. Do đó công dẫn nở đẳng áp có thể tính theo phương trình sau: A p = nRΔT. ΔU p = Q p – nRΔT. Qúa trình dãn nở đẳng nhiệt của khí lý tưởng Áp dụng tính chất của định luật Joule: nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, từ đó có thể suy ra: Biến thiên nội năng đẳng nhiệt của quá trình là bằng không ΔU T = 0. Vậy: Q T = A T = nRTlnp 1 /p 2 =nRT.lnv 2 /v 1 . III. Định luật Hess: 1. Nội dung định luật: Trong quá trình đẳng áp hay đẳng tích, nhiệt phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối mà không phụ thuộc vào trạng thái trung gian của quá trình. Q V = ΔU và Q p = ΔH Đối với quá trình đẳng nhiệt của khí lý tưởng: ΔH = ΔU + RTΔn. 2. Các hệ quả của định luật Hess Ấp dụng định luật Hess có thể xác định hiệu ứng nhiệt của các quá trình thông qua hiệu ứng nhiệt của ác quá trình khác có liên quan hoặc thông qua nhiệt sinh, nhiệt cháy…của các chất trong quá trình.  Nhiệt phản ứng nghịch bằng nhưng trái dấu với nhiệt của phản ứng thuận: ΔH nghịch = - ΔH thuận.  Nhiệt phản ứng tổng bằng nhiệt tạo thành (sinh) của các chất tạo thành trừ đi nhiệt tạo thành ( sinh )của các chất tham gia quá trình: ΔH tt, phản ứng =∑ΔH s/p tt - ∑ ΔH t/c tt Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 7  Nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt cháy của các chất tham gia quá trình trừ đi tổng nhiệt cháy của các chất tạo thành: ΔH phản ứng =∑ΔH t/c ch - ∑ ΔH s/p ch Thí dụ 2 ( SGK, P13) IV. Nhiệt dung Là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một chất lên một độ. nhiệt dung riêng là nhiệt dung qui về một đơn vị khối lượng (Cal/mol.độ, J/mol. độ…) 1. Định nghĩa các loại nhiệt dung Nhiệt dung đẳng áp: C p Nhiệt dung đẳng tích: C v C p - C v = R 2. Định luật Kirchhoff Trong khoảng nhiệt độ hẹp của quá trình đẳng áp có thể áp dụng công thức gần đúng sau: H T 2 = H T1 + C P (T 2 – T 1 ) Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 8 CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC I. Một số khái niệm cơ bản 1. Quá trình tự xảy ra và không tự xảy ra. 2. Trạng thái cân bằng. 3. Quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch. II. Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học 1. Etropy (S) a. Định nghĩa entropy Khi xét quá trình thuận nghịch, đẳng nhiệt thì tỷ số Q/T của quá trình không đổi, nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối mà không phụ thuộc vào đường đi. Nó mang tính chất như một hàm trạng thái, hàm này được gọi là Entropy và ký hiệu là S. S = Q TN /T (Cal/mol.K hay J/mol.K) b. Các tính chất của entropy Theo định nghĩa, thì entropy có những tính chất sau: Entropy là đại lượng đặc trưng cho thuộc tính hỗn loạn của hệ, tương tự như nội năng entropy có tính cộng. Entropy là một hàm của xác suất nhiệt động W S = f(W) Sự tăng entropy luôn kèm theo quá trình nào đó dẫn đến một trạng thái có xác suất lớn hơn, có nhiều khả năng thực hiện hơn. 2. Dùng Entropy để xét chiều trong hệ cô lập. Trong các hệ cô lập, quá trình xảy ra là đoạn nhiệt hay Q = 0, vậy: Nếu dS > 0 quá trình tự xảy ra Nếu d 2 S < 0 hay dS = 0 quá trình đạt cân bằng. 3. Biến thiên Entropy của một số quá trình thuận nghịch Quá trình đẳng áp hoặc đẳng tích: (p=const, V =const) Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 9 S = C v . Ln T 2 /T 1 S = C p . LnT 2 /T 1 Quá trình đẳng nhiệt: (T=const) S = Q T /T = nR.LnV 2 /V 1 = nR.LnP 1 /P 2 Các quá trình chuyển pha: (là các quá trình thuận nghịch đẳng nhiệt đẳng áp) S = /T 4. Tiên đề Planck về Entropy tuyệt đối S o 298 = ∑S o 298c - ∑S o 298d Xét quá trình chuyển một chất từ 263 0 K qua các giai đoạn biến đổi nhiệt độ để chuyển thành khí ở 393 0 K qua các giai đoạn sau: H 2 O (r) 263K→ H 2 O (r,l) 273K → H 2 O 373 (l, h) → 393 K (h) S qt = C p,r Ln (273/263) +  nc /273 + C p,l Ln(373/273) +  hh /373 + C P,h Ln (393/373) III. Hàm đặc trưng 1. Định nghĩa hàm đặc trưng Hàm đặc trưng là một hàm trạng thái mà thông qua đó các đạo hàm các cấp của nó có thể xác định mọi thông số vĩ mô của hệ. 2. Entropy Mô tả toán học như sau: dS = Q tn /T 3. Nội năng U. 4. Enthalpy :H H = U + PV 5. Thế đẳng nhiệt, đẳng áp G G = H – TS 6. Thế đẳng nhiệt, đẳng tích F F = U - TS IV. Các phương trình nhiệt động cơ bản 1. Kết hợp hai nguyên lý 1 và 2. Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 10 dU ≤ TdS – PdV – dA’ 2. Từ định nghĩa của hàm H H = U + PV dH ≤ TdS + VdP - dA’ 3. Từ hàm thế đẳng nhiệt, đẳng áp G = H – TS dG ≤ SdT+ VdP - dA’ 4. Từ hàm thế đẳng nhiệt, đẳng tích F = U – TS dF ≤ - SdT – PdV - dA’ V. Dùng hàm đặc trưng để xét chiều cho quá trình Xuất phát từ hàm nhiệt đợng cơ bản dG ≤ SdT+ VdP - dA’ Trong điều kiện đẳng nhiệt, đẳng áp: dT = 0 và dP = 0 thay vào ta có: dG ≤ - A’ Do công có ích là dương nên dG ≤ 0 Nếu quá trình xảy ra trong hệ thuận nghịch thì cơng cực đại bằng độ giảm thế đẳng áp G = - A max Nếu quá trình xảy ra trong hệ bất thuận nghịch thì thế đẳng áp của hệ giảm dG ≤ 0. Khi quá trình đạt cân bằng thì thế đẳng áp của hệ sẽ đạt cực tiểu G min và dG = 0. VI. Tính thế đẳng áp Các thế nhiệt động là hàm số phụ thuộc vào nhiệt độ nên nếu biết được các hàm này ta có thể chủ động thay đổi nhiệt độ và chọn các điều kiện thích hợp cho quá trình xảy ra theo chiều mong muốn. 1. Phương trình Gibbs-Helmholtz Ta có: dG = - SdT + VdP v ∆G = ∆H - T∆S. Thay vào thu được phương trình dạng tích phân như sau: 2 1 2 1 2 1 1 1 .( ). T T G G H T T T T       [...]... khi tõm vt lý ca a giỏc cú nh l cỏc im biu din ca n h con Vớ d: H H gm ba h con l H1, H 2 v H3 vy H phi nm khi tõm vt lý ca tam giỏc H1H 2H 3 Ta cú: g = g1 + g2 + g3 u tiờn ta xỏc nh im K nh sau: H K = h H 1 + h H2 v g H K 1 2 Tip theo ta xỏc nh im H g H K 2 1 theo iu kin sau: 18 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 H H = h K + h H3 v H H g g K 1 2 3 g g HK 3 3 g 19 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005... mt pha: c=k f + 1= 2 Tng dn nhit ca h, khi nhit n T1, im h (cng l im pha lng) chy n im l1, dung dch bt u sụi, thnh phn pha hi tng ng vi im h1 Lỳc ny h bao gm hai pha nm cõn bng vi nhau: c = 2 2 + 1 = 1 Nu tip tc tng nhit thỡ im h, im lng v im hi s di chuyn trờn nhng ng tng t nh sau: Nhit : T1 T2 T3 im h: l1 Q2 h3 im lng: l1 l2 l3 28 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 im hi: h1 h2 h3 Ti mi... Húa lý - Thỏng 08.2005 Hỡnh 6 .12 S phõn lp ca h butanol nc Cho mt lng butanol vo nc, khuy trn k ri cõn bng, h s tỏch lm hai lp: ư Lp butanol bóo hũa hi nc ư Lp nc bóo hũa butanol Biu hũa tan a nhit (T-x) ca h butanol nc c biu din trờn hỡnh 6 .13 t0C 12 0 80 40 0 H2O b3 n3 Q2 n2 20 T2 Q1 n1 40 60 %C4H9OH T3 T1 80 10 0 C4H9OH Hỡnh 6 .13 Gin a nhit (T-x) ca h butanol nc Ta xột quỏ trỡnh a nhit ca h Q1... ct h lý tng v cỏc h khụng to dung dch ng phớ Ta xột quỏ trỡnh chng ct gin (T-x) trờn hỡnh 6.8 Gi s ta chng ct dung dch Q Nõng nhit h t ti im Q1, h phõn thnh hai pha lng l1 v pha hi h1 Pha hi h1 cú thnh phn cu t d bay hi B ln hn trong h Q Nu h nhit ca pha hi h1 xung nhit tng ng vi im R, thỡ hi h1 s ngng t mt phn, khi ú h R li bao gm hai pha, trong ú pha hi h2 giu cu t B 31 Bi ging mụn Húa lý -... xi = 1 v kR = Pi0 P P 0 x l i i i i vi dung dch thc, nh lut Raoult cng ch cú th ỏp dng cho dung mụi ca dung dch vụ cựng loóng: P P 0 x l 1 1 1 nh lut Henry ch ỏp dng cho cht tan ca dung dch vụ cựng loóng: 1 P x l i k i H ư ng (1) l ng ỏp sut hi ca B trờn dung dch thc (A-B) ư ng (2) l ng tuõn theo nh lut Raoult 23 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 ư ng (3) l ng tuõn theo nh lut Henry Hỡnh 6 .1 So... hp kim lng tng theo nhit 22 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 Ly tớch phõn phng trỡnh (6 .1) trong diu kin ỏp sut khụng i v xem nhit ngng t khụng i, ta cú: x T i i dT dlnx i R T2 x 1 T0 i T ú ta cú: 1 1 lnx i T i R T0 T0: nhit ngng t (nhit sụi) III S hũa tan ca cht lng trong cht lng v cõn bng dung dch hi H dung dch lý tng tan ln vụ hn 1 Xột h hai cu t (A - B) tan ln vụ hn vo nhau... Ap dng nh lut Raoult cho dung dch lý tng ca hai cu t (AB): P P 0 x l P 0 1 x l A A A A B P P 0 x l A B B (1) (2) Ap sut tng ca h l: P = PA + PB P 0 1 x l P 0 x l A B B B P 0 P 0 P 0 .x l A B A B (3) Nu ta biu din cỏc phng trỡnh (1) , (2) v (3) lờ th ỏp sut thnh phn (P-x) ta c hỡnh 6 .1 Vớ d: 500C, ỏp sut hi bo hũa ca n-pentan v n-hecxan tng ng l 12 00 v 400 mmHg, thỡ ỏp sut hi ca... (6.2) ta bin i rỳt ra biu thc: 25 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 xh B .x l B h xh l .x l l ) .x l x x (1 x A B A B B B xh B .x l B .x l B (6.3) (6.4) 1 1. x l B Biu din phng trỡnh (6.4) lờn th (x-x) ta c cỏc ng trờn hỡnh 6.3 Hỡnh 6.3 Gin (x-x) ca h hai cu t A-B ư Nu a = 1, th l ng chộo AC ư Nu a > 1, th cong lờn phớa trờn ư Nu a < 1, th cong xung di e Nhit sụi v gin nhit thnh... ca cỏc cu t trờn gin pha thng dựng l phn mol xi hay phn trm khi lng yi Trong h hai cu t, dựng mt on thng c chia thnh 10 0% nh sau: 15 Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 Trờn trc to ch cn biu din cho mt cu t vỡ thnh phn ca cu t cũn li c xỏc nh theo cụng thc: xA + xB = 1 hay y1 + y2 = 10 0% Khi im biu din ca h cng gn cu t no thỡ hm lng ca cu t ú cng ln c Biu din thnh phn ca h 3 cu t Thnh phn ca h 3 cu...Bi ging mụn Húa lý - Thỏng 08.2005 õy xột trong mt khong nhit tng i hp nờn H xem nh l khụng thay i Hon ton tng t nh trờn, ỏp dng cho hm F ta cú kt qu: FT2 T2 2 FT1 T1 U ( 1 1 ) T2 T1 Phng trỡnh Chomkin-Svartsman Nu ly tớch phõn ca hm Gibbs-Helmholtz theo cn nhit t 298 n T, ta cú: G G T T dT 298 . 38 HỌC PHẦN HÓA LÝ II 43 CHƯƠNG I: ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 43 CHƯƠNG II: ĐIỆN HÓA HỌC 48 CHƯƠNG III: HÓA KEO 61 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 4 HỌC PHẦN HÓA LÝ I CHƯƠNG. ĐIỆN HÓA HỌC 15 9 HÓA KEO 15 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined. MỤC LỤC 3 HỌC PHẦN HÓA LÝ I 4 CHƯƠNG I : NGUYÊN LÝ I. ĐHDL LẠC HỒNG KHOA SINH HỌC VÀ KH MÔI TRƯỜNG BÀI GIẢNG MÔN HÓA LÝ Đồng Nai, tháng 08 năm 2005 Bài giảng môn Hóa lý - Tháng 08.2005 2 PHÂN BỔ THỜI GIAN DẠY ÔN THI TỐT