Bài giảng Hóa học đại cương 1

BG Hóa đại cương-Chương Bài giảng HĨA HỌC ĐẠI CƯƠNG (Chem112) Bộ mơn Kỹ thuật Hóa học Chương NHIỆT ĐỘNG HỌC BG Hóa đại cương-Chương Nội dung • Năng lượng trao đổi lượng • Nguyên lý I NĐH • Nguyên lý II NĐH I- Năng lượng trao đổi lượng BG Hóa đại cương-Chương 1.1 Năng lượng • Năng lượng khả thực công trao đổi nhiệt 1.2 Hệ mơi trường xung quanh • Hệ vật thể tập hợp vật thể nghiên cứu • Môi trường xung quanh thứ xung quanh hệ trao đổi lượng với hệ BG Hóa đại cương-Chương 1.3 Hướng truyền nhiệt Quá trình thu nhiệt Q>0 Quá trình tỏa nhiệt Q ; Q < 0) • Tổng nhiệt trao đổi hệ = Q1 + Q2 + … = (6.3) Ví dụ: Cho Fe (88,5g; 352K) vào cốc chứa 244g nước (292K) Tính nhiệt độ cốc trạng thái cân nhiệt? (ví dụ 6.2, trang 269) Qnước + QFe = [Cnước.mnước∆Tnước] + [CFe.mFe.∆TFe] [(4,184J/g.k)(244g).(Tcuối- 292K)]+[(0,449J/g.K)(88,5g).(Tcuối - 352K) = Tcuối = 295K (22oC) 15 1.7 Năng lượng biến đổi trạng thái • Q trình biến đổi trạng thái: rắn T = const lỏng QT bay hơi; ngưng tụ; đơng đặc; nóng chảy… • Nhiệt biến đổi trạng thái: Nhiệt bay hơi; nhiệt nóng chảy,… • Ví dụ: ∆Hbhơi [H2O] = 2256J/g ∆Hnchảy[H2O] = 333J/g 16 BG Hóa đại cương-Chương 1.7.Năng lượng biến đổi trạng thái Ví dụ: Tính nhiệt lượng cần thiết để đưa 500 g nước từ -50oC đến 200oC ? Q1 = (2,06J/g.K)(500g)(273,2K-223,2K) = 5,15.104 J Q2 = (500g)(333J/g) = 1,67.105 J Q3 = (4,184 J/gK)(500g)(373,2K-273,2K) = 2,09.105 J Q4 = 1,13.106J ; Q5 = 9,6.104J QTổng= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 1,6.106 J (1600 kJ) 17 1.7.Năng lượng biến đổi trạng thái 18 BG Hóa đại cương-Chương II- Nguyên lý I Nhiệt động học 19 2.1 Nguyên lý I Nhiệt động học   Tổng lượng tồn vũ trụ ln ln số Năng lượng hệ không tự sinh khơng tự mà chuyển từ dạng sang dạng khác 20 10 BG Hóa đại cương-Chương (P2) Ví dụ : Tính độ hịa tan Mg(OH)2 nước dung dịch MgCl2 0,01 M ? (Biết T = 5,6.10-12) (a) Trong nước, độ hòa tan Mg(OH)2 = 1,1.10-4 M (b) Trong dd MgCl2 0,01M: MgCl2 → Mg2+ + Cl0,01 M 0,01 M có Mg2+ 0,01M dung dịch : [I] [C] [E] Mg(OH)2 (r) ⇌ Mg2+ (dd) + OH- (dd) (rắn) 0,01 -x +x +2x (rắn) (0,01 + x) 2x T = [Mg2+][OH-]2 = (0,01+x)(2x)2  0,01.4x2 = 5,6.10-12 19 x = 1,2.10-5 M 3.2 Phản ứng tạo kết tủa • Phản ứng tạo kết tủa: dd Ag + + dd Cl-  AgCl (r) ? Điều kiện kết tủa hòa tan kết tủa: AgCl (r) ⇌ Ag+ (dd) + Cl- (dd)  Nếu Q = T , phản ứng trạng thái cân  Nếu Q > T, tạo kết tủa  Nếu Q < T, khơng có kết tủa tạo 20 10 BG Hóa đại cương-Chương (P2) Ví dụ: Có kết tủa tạo không trộn 0,1 L dd Ca(NO3)2 0,3M với 0,2 L dd NaF 0,06 M? Biết T(CaF2) = 3,2.10-11 Giải: Tính Q để so sánh với T CaF2 (r) ⇌ Ca2+ (dd) + F- (dd) Q = [Ca2+][F-]2 Trước trộn: dd Ca(NO3)2: [Ca2+] = 0,3 M dd [NaF]: Sau trộn: [Ca 2+ ]s = [F- ]s = [F-] = 0,06M (0,3M)(0,1L) = 0,1M (0,2L+ 0,1 L) (0,06M)(0,2L) = 0,04M (0,3L) Q = [Ca2+][F-]2 = (0,1)(0,04)2 = 1,6.10-4 > T  Kết tủa CaF2 tạo Q = T 21 Bài tập (Chương 18 – Tập GT) 3, 7, 13, 19, 21, 43, 53, 63 22 11 BG Hóa đại cương-Chương Chương Điện Hóa Học Nội dung • Phản ứng oxi hóa khử • Pin điện hóa điện hóa • Điện hóa nhiệt động học • Điện phân (tham khảo) BG Hóa đại cương-Chương Mở đầu Cầu muối Điện cực trơ Pt Phản ứng tổng: Cho Zn vào dd axit Pin Volta: Zn/Zn2+//2H+/H2 Hai cách phản ứng Zn kim loại với axit I- Phản ứng oxi hóa khử BG Hóa đại cương-Chương 1.1 Phản ứng oxi hóa khử • Phản ứng oxi hóa khử phản ứng có trao đổi electron chất • Sự oxi hóa: q trình electron chất • Sự khử: q trình nhận electron chất • Chất oxi hóa: chất nhận electron • Chất khử: chất cho electron phản ứng -2e- Cu (r) + Ag+ (dd) → Cu2+ (dd) + Ag (r) kh oxh 1.2 Cân phản ứng oxi hóa khử Phản ứng oxi hóa khử đơn giản: Cu(r) + Ag+(dd) → Cu2+(dd) + Ag(r) Bán p.ứng khử: Ag+ (dd) + e- → Ag (r) | x Bán p.ứng oxi hóa: Cu (r) → Cu2+ (dd) + 2e- Phản ứng tổng: Cu(r) + 2Ag+(dd) → Cu2+(dd) + 2Ag(r) BG Hóa đại cương-Chương Phản ứng oxi hóa khử phức tạp: (trong mơi trường axit) Cân phản ứng oxi hóa khử sau: VO2+ (dd) + Zn (r) → VO2+ (dd) + Zn2+ (dd) VO2+ (dd) + Zn (r) → VO2+ (dd) + Zn2+ (dd) Bước 1, 2: Các bán phản ứng: Zn (r) → Zn2+ (dd) VO2+ (dd) → VO2+ (dd) Bước 3: Cân bán phản ứng theo khối lượng: Zn (r) → Zn2+ (dd) (đã cân bằng) VO2+(dd) → VO2+(dd) thiếu O, thêm O từ H2O  2H+ (dd) + VO2+ (dd) → VO2+ (dd) + H2O (l) BướcAl 4: Cân + dd Cu2+bằng bán phản ứng theo điện tích: Zn (r) → Zn2+ (dd) + 2e2H+ (dd) + VO2+ (dd) + e- → VO2+ (dd) + H2O (l) Bước 5,6: Nhân hệ số phù hợp; cộng bán phản ứng: Zn(r) + 4H+(dd) + 2VO2+(dd) → Zn2+(dd) + 2VO2+(dd) +2H2O (l) BG Hóa đại cương-Chương II- Pin điện hóa Các điện hóa 2.1 Pin Volta Pin Cu - Ag Cầu muối chứa NaNO3 Nút xốp Phản ứng tổng: Ký hiệu pin: (-) Cu(r) / Cu2+(dd) // Ag+(dd) / Ag(r)10(+) BG Hóa đại cương-Chương Hoạt động pin Volta Hướng chuyển electron Điện cực Điện cực Cầu muối Chất điện phân: ion dung dịch Chất khử Chất oxi hóa Chất oxi hóa Anot: xảy oxi hóa Cu (r) → Cu2+ (dd) + 2e- Chất khử Catot: xảy khử Ag+ (dd) + e- → Ag (r) Quá trình tự xảy ∆G < 0, đạt đến trạng thái cân 11 pin ngừng hoạt động 2.2 Thế điện hóa tiêu chuẩn • Thế pin (Epin) hay điện động xuất có khác điện anot catot, đơn vị: Vol (V; 1V = 1J / 1C) • Thế điện động tiêu chuẩn, Eo điều kiện tiêu chuẩn (25oC; dung dịch: 1M ; khí: atm), và: G° = -nFE°pin (F: số Faraday) • Thế điện cực (thế khử): Oxh + ne- → Kh Ở đktc: khử tiêu chuẩn (bảng 20.1 phụ lục M) • Eopin = Eocatot - Eoanot > 12 BG Hóa đại cương-Chương Xác định điện hóa tiêu chuẩn • Điện cực tiêu chuẩn hiđro: 2H+ (dd) /H2 (k) H2 (k, 1atm) → H+ (dd) + eH2 (k) 1atm Điện cực trơ Pt 13 Quy ước: Eo = 0,00 (V) Ghép điện cực cần đo với điện cực tiêu chuẩn H2, đo Eopin Cầu muối Điện cực trơ Pt Điện cực trơ Pt Từ giá trị Eopin đo  điện cực:  Eo (Fe3+/ Fe2+ ) = +0,77 V 14 BG Hóa đại cương-Chương Độ mạnh chất khử, oxi hóa Chiều tăng tính oxi hóa Chiều tăng tính khử 15 • Xác định Eopin từ giá trị Eođiện cực: Pin: (-) Mg / Mg2+ // Ag+ / Ag (+) Eopin = Eocatot - Eoanot = (+0,8) – (-2,37) = + 3,17 V 16 BG Hóa đại cương-Chương Dự đốn chiều tự diễn phản ứng • Sử dụng Eo (oxh/kh) : Cu (r) + Zn2+ (dd) ch kh yếu ch oxh yếu ? ? Cu2+ (dd) + Zn (r) ch oxh mạnh ch kh mạnh Ch.kh ; ch.oxh mạnh → ch oxh; ch.kh yếu  phản ứng xảy theo chiều từ phải → trái 17 • Sử dụng Eopin: - Nếu Eopin > : phản ứng tự xảy (∆Go < 0) - Nếu Eopin < : phản ứng khơng xảy Ví dụ: -2e- Cu + Zn2+ → Cu2+ + Zn anot canot Eopin = Eocatot – Eoanot = - 1,1V  phản ứng xảy theo chiều ngược lại Ví dụ: Các phản ứng sau có xảy khơng? (1) Ni2+ + H2 → Ni + H+ ; Eopin = - 0,25 V < (2) Fe3+ + 2I- → Fe2+ + I2 ; Eopin = + 0,236 V >  (1) không xảy ra; (2) xảy 18 BG Hóa đại cương-Chương 2.3 Thế điện hóa khơng tiêu chuẩn Ở điều kiện (C ≠ 1M; P ≠ atm), ta có Epin Từ G = G° + RT ln Q G° = -nFE°pin Phương trình Nernst: E pin  E o pin  RT ln Q nF E pin  E o pin  0,0592lg Q (ở 25oC) n 19 Ví dụ - (BT 27): Một nửa pin pin volta tạo thành từ dây Ag nhúng vào dd AgNO3 0,25 M Nửa pin lại gồm điện cực Zn dd Zn(NO3)2 0,010 M Hãy tính điện pin? Giải: Phản ứng xảy pin: Zn(r) + 2Ag+(dd) → Zn2+(dd) + 2Ag(r) (-) (+) (n = 2) Tính E°pin ; Q sử dụng phương trình Nernst: E°pin = E°catot - E°anot = + 1,562V Epin = Eopin – (0,0592/n)lg[Zn2+]/[Ag+]2 = + 1,58V 20 10 BG Hóa đại cương-Chương Ví dụ 2: Pin: Fe (r) + Cu2+ (dd)  Fe2+ (dd) + Cu (r) (a)Tính E°pin (b) Nếu [Cu2+] = 0,30 M, tính [Fe2+] cần sử dụng để Epin thu lớn Eopin 0,25 V Giải: (a) E°pin = E°catot - E°anot = 0,34 V – (- 0,44 V) = 0,78 V (b) Tính [Fe2+] để Epin = E°pin + 0,25 V = 1,03 V E pin = E°pin - 0,0592 0,0592 [Fe 2+ ] lg Q = E° pin lg n [Cu 2+ ] 1,03V = 0,78V-  lg 0,0592 [Fe 2+ ] lg [Cu 2+ ] [Fe 2+ ]  8, 446 [Cu 2+ ]  [Fe 2+ ] = 1,1 10-9 M 21 Ví dụ 3: Pin: (-) Zn (r) / Zn2+ // 2H+ / H2 (k) (+) Tính Epin [Zn2+] = 0,010 M, [H+] = 2,5 M, p(H2) = 0,30 atm 25 °C Giải: Tính E°pin ; Q sử dụng phương trình Nernst Zn (r) + H+ (dd)  Zn2+ (dd) + H2 (k) (n = 2) E°pin = 0,00 V - (-0,76 V) = 0,76 V [Zn 2 ]p(H ) (0,010)(0,30) Q   4,8  104  2 [H ] (2,5) E pin = 0,76 V - 0,0592 lg Q = 0,86 V Nhận xét: [H+] hay pH dung dịch có ảnh hưởng đến Epin 22 11 BG Hóa đại cương-Chương III- Điện hóa học nhiệt động học 23 Quan hệ Epin; G° K Từ: G° = -nFE°pin F = 96500 C/mol e G° = -RT ln K  E°pin = RT ln K nF 24 12 BG Hóa đại cương-Chương Ví dụ: Tính E°pin, K and G° 25 °C phản ứng: Pb (r) + Ag+ (dd)  Pb2+ (dd) + Ag (r) Giải: (-) (+) (n = 2)  E°pin = E°catot – E°anot = 0,80 V – (- 0,13 V) = 0,93 V ln K  nF o (2 mol e- )(9,65  10 J/V mol e - ) E pin  0,93V  72, 45 RT 8,31 J/mol.K)(298 K)  K = 3,0 ×1031 G° = -nFE°pin= -(2 mol e-)(9,65.104 J/V mol e-)(0,93 V)  G° = -1,8 ×105 J hay G° = -1,8 ×102 kJ 25 Bài tập: (Chương 20 – Tập GT) 3, 13, 15, 27, 29, 31 26 13