Bài giảng hóa đại cương (Phần 3) pptx

Chương V NHIỆT HÓA HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 1.. Khái niệm về nhiệt động hóa học và nhiệt hóa học: - Nhiệt động học là sự nghiên cứu về sự chuyển biến tương hổ g

Ví dụ: Làm nhiệt độ sôi , nhiệt độ nóng chảy chất tăng cao

Liện kết Hydro có thể hình thành nội phân tử (nhiều chức)

- Bản chất liên kết Hydro:

Là liên kết có tính chất ion

Có tính cho, nhận (H nhận cặp electron) 

Thứ tự giảm dần liên kết Hydro: F, N, O…các halogen khác

Chương V

NHIỆT HÓA HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

1 Khái niệm về nhiệt động hóa học và nhiệt hóa học:

- Nhiệt động học là sự nghiên cứu về sự chuyển biến tương hổ giữa các dạng năng lượng khác nhau và nó dựa trên cơ sở hai nguyên lý sau:

Nguyên lý 1: (Tương tự định luật bảo toàn năng lượng)

Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

Nguyên lý 2: Nhiệt chỉ chuyển từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp

- Aùp dụng vào nhiệt động hóa học:

+ Nhiệt động hóa học nghiện cứu các quy luật về sự chuyển biến tương hổ giữa hóa năng và các dạng năng lượng khác, về hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học, về điều kiện bền vững của các hệ và các quy luật thay đổi của các quá trình hóa học

+ Nhiệt hóa học chỉ nghiên cứu về hiệu ứng nhiệt, là lượng nhiệt phát ra hay thu vào trong các quá trình hóa học

Hiệu ứng nhiệt ký hiệu Q, đơn vị cal(J)/mol 1cal = 4.18J

2 Một số khái niệm

- Hệ: Là một vật hay một nhóm vật thể được nhăn cách với môi trường xung quanh bằng bề mặt tưởng tượng hay bề mặt vật lý

- Hệ cô lập là hệ không trao đổi nhiệt, năng lượng, chất với môi trường xung quanh

- Hệ kín (đóng): Không trao đổi chất mà có khả năng trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài

- Hệ hở (mở): Có khả năng trao đổi chất, nhiệt, năng lượng với môi trường bên ngoài

- Hệ cân bằng: Là hệ có các thông số trạng thái xác định ở một điều kiện nào đó

- Hệ đồng thể: Là hệ chỉ có một pha (không có sự phân chia pha), hoặc không có bề mặt phân chia

- Hệ dị thể: có hai pha trở lên hoặc có bề mặt phân chia

3 Thông số và hàm số trạng thái:

- Thông số trạng thái là các dữ kiện: ,t0 p, m, v, nhiệt dung C…

- Phương trình trạng thái: Dùng biểu diễn tương quan tập hợp trạng thái của hệ ở một điều kiện xác định

Ví dụ: pv = nRT

- Các hàm số trạng thái chỉ phụ thuộc quá trình đầu và cuối, không phụ thuộc đường đi

- Các hàm trạng thái: Nội năng (U), Enthalpy (H), Entropy (S), thế đẳng nhiệt, đẳng áp Các quá trình:

Khi hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác: thực hiện một quá trình

- Quá trình T ‟ N: Xảy ra theo hai chiều ngược nhau và tương đối chậm, quá trình đạt đến cân bằng động

- Quá trình bất TN: Là quá trình chỉ xảy ra theo một chiều

- Quá trình đẳng tích (V = const)

- Quá trình đẳng áp: (p = const)

- Quá trình đẳng nhiệt (t = const) 0

Công: A Quy ước: Quá trình nhận công A < 0, sinh công A > 0

' A A

A t 

t

A : công thể tích (giãn nở, cơ học)

A’: công hữu ích

2

1 p

p ln nRT nRT

V p

At    

A’; công điện trường, từ trường, hóa học…

4 U, H và H (hiệu ứng nhiệt)

- Nội năng U là năng lượng có sẵn, ẩn bên trong hệ, gồm năng lượng chuyển động tịnh tiến, quay, dao động… của nguyên tử, phân tử

Năng lượng hệ = U + động năng hệ  E + thế năng hệ đ  E t

Ta có: Q =UA

 Tức là khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì nhiệt năng này dùng để tăng nội năng của hệ và thực hiện công A chống lại các lực bên ngoài tác động lên hệ

1

2 U U



nRT U

V p U A U

+

 QU0UQV

+ Đẳng áp (P = const) QP

V2 V1 U2 U1 PV2 PV1 P

U

Đặt H = U + PV

H gọi là entanpy

H H

H

QP   

 Hiệu ứng nhiệt đẳng tích là sự biến đổi nội năng U

Hiệu ứng nhiệt đẳng áp là sự biến đổi entapy H

Với hệ chất khí HUnRT

- Phản ứng tự xảy ra khiH0 phát nhiệt

- Phản ứng không tự xảy ra khi H0 thu nhiệt

Ví dụ: H2 k O2 k H2O k

2



2

1 2

1 1 1

8 51















 











H kcal/mol



























2

1 8

51 kcal/mol

 r H O k CO k H  k

4 31

H

 kcal/mol

T R U

n1111 3141



Phương trình nhiệt hóa học:

Là phương trình phản ứng hóa học có ghi kèm trạng thái pha của tác chất, sản phẩm Hiệu ứng nhiệt tỷ lệ thuận với lượng chất tham gia phản ứng

Ví dụ: 2H2 k O2 k 2H2O thì

H251.8103.6 kcal/mol

5 Một số định nghĩa:

5.1 Nhiệt tạo thành:

Là hiệu ứng nhiệt của phản ứngtạo thành một mol chất từ các đơn chất ở trạng thái tự

do bền vững

Ví dụ: Cl2 k  H2 k HCl k

2

1 2

1

H22.06 kcal

N2 k 3H2 k 2NH3 k

H22 kcal

HttNH3 11 kcal/mol

- Nhiệt tạo thành của các đơn chất bền ở điều kiện tiêu chuẩn bằng 0

5.2 Nhiệt đốt cháy:

Là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy bằng oxy 1 mol chất hữu cơ để tạo thành 2

CO , nước lỏng và một số sản phẩm khác

Ví dụ: C2H6 k O2 k 2CO2 3H2O

2

7





H0298372.82 kcal chính là nhiệt đốt cháy của C2H6

Tham khảo bảng “Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn” và “Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn”(9, 10)

5.3 Nhiệt chuyển trạng thái:

Là hiệu ứng nhiệt chuyển 1 mol chất từ trạng thái này sang trạng thái khác

Ví dụ: I2 r I2 k H029814.92 kcal

H2O l H2O k H029810.52 kcal

AlBr3 r AlBr3 l H02982.71 kcal

B O  vđh B O  tt H02984.40 kcal

 Hiệu ứng nhiệt thăng hoa và bay hơi có giá trị khoảng 10100 kcal, còn hiệu ứng nhiệt nóng chảy, nhiệt chuyển đa hình…từ 15 kcal

- Nhiệt hòa tan:

Ví dụ: NaOH  r  mnH2O l Na.mH2OddOH.nH2Odd

H029810.20 kcal

Na S O   r m nH O l Na mH Odd S O 2 nH2Odd

3 2 2

2 3

2

H02986.4 kcal

6 Định luật Hess: (Định luật cơ bản của nhiệt hóa học)

“Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bảng chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa là không phụ thuộc vào số và đặc điểm của các giai đoạn trung gian.”

Ta có : H = H1 + H2 = H3+ H4 + H5

Hệ quả: Định luật Lavoisier và Laplace:

“Lượng nhiệt hấp thu khi một chất phân hủy thành các nguyên tố bằng lượng nhiệt phát ra khi tạo thành hợp chất đó từ các nguyên tố.”

 H1

AB

B

A   ABABH2

H1  H2

Các ứng dụng tính toán:

1 Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt tạo thành:

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm phản ứng trừ tổng nhiệt tạo thành của các chất ban đầu

(Nhiệt tạo thành của đơn chất bằng 0)

Ví dụ: mAB + nCD = pAC + qBD

H1 H2 H3 H4 (nhiệt tạo thành)

2 0

1 0

4 0

3

0pư p H q H m H n H



2 Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt đốt cháy:

- Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các chất đầu trừ tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm

Ví dụ: mA + nB = pC + qD

0

1 H

 0

2 H

 0

3 H

 0

4 H

 (nhiệt đốt cháy)

4 0

3 0

2 0

1

0pư m H n H p H q H



3 Ứng dụng định luật Hess-chu trình Born-Haber:

A

Sản phẩm phản ứng Chất phản ứng

H5

H3

H4

H

Ví dụ: Dùng chu trình Born-haber để tính mạng tinh thể NaCl, năng lượng mạng cho một mol

Na+(k) + Cl-(k)  NaCl(r)H0NaCl 0

Biết: Nhiệt thăng hoa của Na, nhiệt phân ly của Cl, năng lượng ion hóa của Na, ái lực của Cl và nhiệt tạo thành của NaCl

Chu trình:

Theo định luật Hess:

NaCl Cl

Na thNa

2 0

2

2

1





































2

2 0

0

2

1

Cl Na thNa

tt

H

Ví dụ: Tính năng lượng liên kết HCl: H0lkHCl

H k Cl k HCl H0lkHCl0

Theo định luật Hess:































2 2

0 0

0 2

0

2

1 2

1 2

1 2

1

2

DCl DH

H HCl H

HCl H DCl D

H

tt lk

lk H

tt

4 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu ứng nhiệt – Định luật Kiêcsôp

Định nghĩa nhiệt dung (C): Là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một mol chất lên 0K

1

Đơn vị: cal/mol (J)

T

Q C



 Khi V = const  nhiệt dung phân tử đẳng tích C V

T

U

CV





 Khi p = const  nhiệt dung phân tử đẳng áp

T

H

CP







   2

1

T T CpdT

H   2

1

T T

VdT C U Định lý Kirchoff:

1/2DH2 1/2DCl2

2

1

H2(k) +

2

1

Cl2 (k) HCl(k) ÄH

0 tthanh

H(k) + Cl(k)

H0tt

H0lkHCl

cuối

INa ECl

 ÄH0

tt

Na(r) +

2

1

NaCl (r) ÄH0 NaCl Na+ + Cl-

ÄHth Na

2 1 DCl2







1

1 2

T T

pdT C H

H :

H2

 Hiệu ứng nhiệt ở nhiệt độ T 2

1

H

 : Hiệu ứng nhiệt ở nhiệt độ T 1

p

C

 = CP sau phản ứng - CP trước phản ứng

Có nhân với hệ số tỉ lượng

Ví dụ: C P cC PC dC PD aC PA bC PB

dD cC bB aA



















Thực tế áp dụng trong khoảng nhiệt độ nhỏ, ta có:

 298 298

0  





H T H C P T

Ví dụ: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

 k O  k CO  k

2



Ở 0K

398 biết H0298 của phản ứng là -67.64 kcal/mol Và nhiệt dung đẳng áp của CO là 6.97; O là 7.05; 2 CO là 8.06 cal/mol độ 2

2

05 7 97 6 96



= -2.435 3

10

 kcal/mol.độ

H

H0398 02980.002435398298 67.640.243567.8835 /

