NHIỆT HOÁ HỌC (slide chi tiết)

Khái niệm về nhiệt động lực học và nhiệt động hóa học Nguyên lý I nếu trong quá trình nào đó có một dạng năng lượng mất đi thì thay cho nó phải có một dạng năng lượng khác xuất hiện với lượng tương đương nghiêm nghặt. Nguyên lý 2 nhiệt không thể chuyển từ vật thể nguội hơn sang vật thể nóng hơn.

CHƯƠNG 6

THERMOCHEMISTRY

NHIỆT HOÁ HỌC

I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

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

2 Một số khái niệm cần thiết

Khái niệm về nhiệt động lực học và

nhiệt động hóa học

a Nhiệt động lực học

Nguyên lý I- nếu trong quá trình nào đó

có một dạng năng lượng mất đi thì thay cho nó phải có một dạng năng lượng khác xuất hiện với lượng tương đương nghiêm nghặt.

Nguyên lý 2- nhiệt không thể chuyển từ

vật thể nguội hơn sang vật thể nóng hơn.

b Nhiệt động hóa học

 Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng

 Dự đoán chiều hướng diễn ra của

quá trình hóa học

 Hiệu suất của phản ứng

 Điều kiện cân bằng và các yếu tố bên

ngoài ảnh hưởng đến cân bằng.

NHẬN XÉT

Chỉ cần biết trạng thái đầu và cuối của hệ và điều kiện bên ngoài có ảnh hưởng đến quá trình có thể dự đoán chiều hướng và mức độ diễn ra của quá trình trước khi biết rõ cơ chế phản ứng.

2 Một số khái niệm cần thiết

a. Hệ hóa học

b. Pha

c. Trạng thái và quá trình

d. Các hàm nhiệt động

Hệ hoá học

Hệ hở Hệ kín Hệ cô lập

Hệ dị thể- có bề mặt phân chia

Hệ đoạn nhiệt - không trao đổi chất và nhiệt.

- Có thể trao đổi công

Hệ đồng thể - không có bề mặt phân chia

Hệ đồng nhất- thành phần tính chất như

nhau

Pha

 Là tập hợp những phần đồng thể của hệ

 Giống nhau về thành phần hóa học và tính chất hóa lý.

 Được phân cách với các pha khác bởi bề mặt phân chia pha.

 Hệ 1 pha: hệ đồng thể

 Hệ nhiều pha: hệ dị thể

Thông số trạng thái

Th số dung độ/ th số dung độ = th số cường độ

Thông số dung độ - là thông số tỷ lệ với lượng chất như : thể tích, khối lượng, năng lượng…

Có tính chất cộng.

Thông số cường độ- không phụ thuộc lượng chất như: nhiệt độ, áp suất

Hàm trạng thái

• Là hàm của các thông số trạng thái

• Hàm trạng thái phụ thuộc vào trạng thái của hệ

• Các thông số trạng thái có thể là hàm trạng thái nhưng cũng có thể là biến số trạng thái

Trong quá trình biến đổi trạng thái, biến thiên của hàm trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi.

C

Một biến thiên hữu hạn từ trạng thái

1

2

0 dZ

dZ Z

Z Z

Z dZ

Z

TRẠNG THÁI CHUẨN ( 0 )

• Áp suất chuẩn 1 atm.

• Nhiệt độ tuỳ ý, thường chọn ở 250C

• Chất rắn, lỏng - ở dạng nguyên chất, bền ở 1atm nhiệt độ T

• Khí – khí nguyên chất, bền nhất hoặc thường gặp, Pkhí =1atm

• Dung dịch C=1 mol/l

c.NỘI NĂNG (U)

U = E t nh ti n ị ế +E quay +E dao đ ng ộ +E hút,đ y ẩ + E nhân

•Không xác định chính xác nội năng U

•Theo nhiệt động học, trong quá trình biến đổi trạng thái chỉ cần xác định ∆U

•Nội năng phụ thuộc vào : bản chất, lượng chất,

QUÁ TRÌNH- là con đường mà hệ chuyển

từ trạng thái này sang trạng thái khác có

sự biến đổi ít nhất một thông số trạng thái

Quá trình đẳng tích ∆ V=0

Quá trình đẳng áp ∆P=0

Quá trình đẳng nhiệt ∆ T= 0

Quá trình đoạn nhiệt – không trao

đổi nhiệt nhưng có thể trao đổi

công.

Quá trình vi phân – quá trình các thông

số trạng thái biến đổi vô cùng nhỏ.

Nhiệt và công là hai hình thức trao đổi

năng lượng của hệ với môi trường.

Nhiệt và công chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ nên là hàm của quá trình, phụ thuộc vào cách tiến hành

∫δ

= 2

1

Q Q

Trong biến đổi vô cùng bé , nhiệt và công mà hệ

Trong biến đổi hữu hạn : = ∫ δ = ∫ δ

2

2

Q Q

; A A

•Nhiệt là thước đo sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các tiểu phân.

• Công là thước đo sự chuyển động có trật

tự có hướng của các tiểu phân trong trường lực.

Qui ước về dấu của nhiệt và công

NHIỆT ĐỘ

• Thang nhiệt độ Celsius (0C) ký hiệu t

• Thang nhiệt độ Kelvin (K) ký hiệu T

T(K) = t (0C) + 273,15

NHIỆT DUNG (C) – là nhiệt lượng cần dùng

để nâng nhiệt độ một chất lên một độ.

(không có phản ứng hoá học,không có biến đổi pha,không có sự thay đổi thành phần của hệ )

dt

Q dT

Q

C= δ =δ

dt

Q dT

Q

Nhiệt dung riêng (tỉ nhiệt) [cal/g.độ] hay [J/g.độ]

Nhiệt dung mol – [cal/mol.độ] hay [J/mol.độ]

Nhiệt dung mol đẳng áp Cp ; Cp=a1+b1.T+ c1.T2…

Nhiệt dung mol đẳng tích Cv; Cv=a2+b2.T+ c2.T2

Cp và Cv là hàm trạng thái.

dT

Q

P A

Phản ứng đẳng áp, đẳng nhiệt ( O2 khí lý tưởng )

nRT V

P h

S P h

F

A = ng = ng = ng ∆ = ∆

Đẳng áp

QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH

Là qt có thể tiến hành theo hai chiều ngược

nhau, các trạng thái trung gian giống nhau,

không gây nên biến đổi gì trong hệ cũng như môi trường.

QUÁ TRÌNH BẤT THUẬN NGHỊCH –

Là các qt không thoả mãn các điều kiện trên Quá trình có ma sát đều là qt bất thuận nghịch Các qt tự xảy ra trong tự nhiên đều là qt bất

Quá trình khuếch tán của khí là quá trình bất thuận nghịch

Tự phát

Không tự phát

Tính chất của quá trình thuận nghịch

• Xảy ra với tốc độ vô cùng chậm, có thể xem là một dãy liên tục các trạng

thái cân bằng nối tiếp nhau.

• Công hệ sinh trong quá trình thuận nghịch là cực đại chỉ phụ thuộc vào

trạng thái đầu và cuối.

Tính thuận nghịch là một thuộc tính của quá

trình cân bằng.

Các quá trình được xem gần như quá trình thuận nghịch :

• Quá trình chuyển pha ở đúng điều kiện nhiệt độ và áp suất chuyển pha.

• Quá trình tăng hay giảm nhiệt độ vô cùng chậm.

• Quá trình dãn nở đẳng nhiệt vô cùng chậm của khí lý tưởng.

• Phản ứng hoá học diễn ra ở gần với điều kiện cân bằng.

II NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT

1. Nguyên lý I của nhiệt động lực học và các đại lượng nhiệt động

2. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hóa học

3. Định luật Hess và các hệ quả

NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

Quá trình đẳng tích , dV=0 → A=0

Q v –A’= ∆ U

Có pưhh A’≥ 0 → Qv –A’ = ∆U

Qv –A’ hiệu ứng nhiệt đẳng tích

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở đk đẳng tích bằng biến thiên nội năng của hệ.

Không có pưhh A’=0 Q P = ∆ H ,

Có pưhh A’ ≥ 0 Qp –A’ = ∆ H

(Qp-A’ ) gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở đk đẳng áp bằng biến

Enthalpy là hàm trạng thái ,

thông số dung độ.

• Đa số các phản ứng hoá học thường được tiến hành ở

đk áp suất không đổi nên hiệu ứng nhiệt của phản ứng

Q C

Q C

Nhiệt dung đẳng áp , nhiệt dung đẳng tích

2 Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hóa

a. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

b. Phương trình nhiệt hóa

c. Nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy

Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

 Là lượng nhiệt Q mà hệ thu vào hay phát ra trong qúa trình hóa học Quá trình

đẳng áp Qp = ∆H

Quan hệ giữa ∆ H và ∆ U trong quá trình đẳng áp ,đẳng nhiệt

Phương trình nhiệt hóa học

 ∆ H được tính với giả thiết : pư xảy ra hoàn toàn , chất đầu và sản phẩm theo lượng hợp thức và

trạng thái vật lý tương ứng với pư.Nhiệt độ có thể biến đổi trong quá trình pư nhưng mọi tính toán

được thực hiện khi nhiệt độ cuối bằng nhiệt độ 0

Trong điều kiện bình thường (nhiệt độ thấp), phản ứng tỏa nhiệt ( ∆ H < 0) là phản ứng có khả năng

tự xảy ra

 Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn : ∆H0T

• Áp suất chuẩn 1 atm

• Nhiệt độ T tuỳ ý, thường chọn ở 250C

• Chất đầu và sản phẩm ở trạng thái chuẩn và cùng nhiệt độ.

Nhiệt tạo thành là hiệu ứng nhiệt của phản

ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền nhất trong những điều kiện đã cho về áp suất và nhiệt độ

Ở điều kiện chuẩn , nhiệt tạo thành tiêu chuẩn ký hiệu ( ∆ H 0

298 ) tt Các đơn chất bền ở đk chuẩn như:

Cl 2 (k); H 2 (k); O 2 (k); N 2 (k); Br 2 (lỏng); I 2 (r); C(gr) ( ∆ H 0

298 ) tt của các đơn chất bền ở đk chuẩn = 0 ( ∆ H 0 ) của ion H + nH O =0

Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn, ∆ Hf° (kJ/mol)

Phản ứng phân huỷ là phản ứng nghịch của pư tạo thành.

NHIỆT TẠO THÀNH TIÊU CHUẨN

Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất bằng khí oxy tạo thành các oxyt cao bền ở đk phản ứng.

C2H4(k)+ 3O2(k) → 2CO2(k) + 2H2O(l)

(∆H0298)đc =-1411 kJ/mol

0

298 dc

H

∆

0

Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn của khí CO2 và nước lỏng được qui ước bằng không

Nhiệt tạo thành nguyên tử là hiệu ứng nhiệt của pư tạo thành 1mol hợp chất ở trạng thái khí từ các nguyên tử cũng ở trạng thái khí.

nhiệt của quá trình hoà tan 1mol chất tan nên chịu ảnh hưởng lớn đến lượng và bản chất của dung môi Khi lượng dung môi đủ lớn thì ∆ Hht không phụ

thuộc vào dung môi.

3 Định luật Hess và các hệ quả

a. Định luật Hess

b. Các hệ quả

Định luật Hess

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học ở điều kiện đẳng áp hoặc đẳng tích chỉ phụ thuộc vào bản 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 lượng và đặc điểm của các chất giai đoạn trung gian.

The Solution Process for NaCl

∆ Hsoln = Step 1 + Step 2 = 788 – 784 = 4 kJ/mol

Hệ quả 1 - định luật Lavoisier – La Place

Hệ qủa 2 Chu trình Born - Haber

pu H H H

H

a A + b B = c C + d D ; ∆ H° pư ∆H° = [ c∆H°tt (C) + d∆H°tt (D)] – [ a∆H°tt (A) + b∆H°tt (B)]

a A + b B = c C + d D ; ∆ H° pư

∆H°pư = [ a∆H°đc (A) + b∆H°đc (B)]

- [ c∆H°đc (C) + d∆H°đc (D)]

Calculate ∆H° (in kilojoules) for:

H H

H

H OH H

H H

H

C C

C a

∆ H 0

T2

dT bC

aA + bB → cC +dD

dT ) C b C a ( ) C d C c ( H H

B A

2 1

D C

1

T T

P p

0 T

2

1

D C

1

T T

P p

0 T

Phương trình Kirchhoff , khi ∆Cp ≠ f(T)

( C H

dT

C H

T T

p

0 T