Hóa học: ST Nhiệt động hóa học

1 NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC VÀ HÓA KEO ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HOÁ HỌC ******* Nguyễn Xuân Hoàn Giớithiệu chung Kiểmtra, đánh giá: theo hình thứcTínchỉ Mụctiêuhọcphần: Các nguyên lí của nhiệt động học Ứng dụng các nguyên lí đóvàocânbằng hoá học, cân bằng pha và dung dịch Các kiến thức về hệ phân tán và một số tính chất Thờigian: 30 giờ (Số TC = 3 ) (Lý thuyết : 70% –Bài tập: 30% -Thực hành thí nghiệm: Thựctập Hoá Lý) Nội dung chi tiết họcphần Phần 1: Nhiệt động hóa học Phần 1: Nhiệt động hóa học Phần 2: Hóa họcchất keo Phần 2: Hóa họcchất keo ¾ Mở đầu ¾ Nguyên lý 1 củaNhiệt động học ¾ Nguyên lý 2 củaNhiệt động học ¾ Cân bằng hóa học ¾ Nguyên lý 3 củaNhiệt động học ¾ Cân bằng pha ¾ Mở đầu ¾ Tính chất các hệ keo ¾ Sự bềnvững tương đốicủahệ keo ¾ Giớithiệumộtsố hệ thống keo Tài liệuthamkhảo môn học 1. TrầnVăn Nhân, NguyễnThạcSửu, NguyễnVănTuế. Hóa lí, tậpI vàtập II, Nhà xuấtbảnGiáodục, Hà Nội, 1998. 2. Vũ Ngọc Ban. Giáo trình Nhiệt động hoá học, NXB Đại học Quốc gia, 2004. 3. Nguyễn Đình Huề. Giáo trình Hoá lý, Tập I và Tập II, NXB GD, Hà Nội, 2000. 4. Atkins P. W. Physical Chemistry, Part 1, Sixth Ed. Oxford University Press, 1998. 5. Trần Văn Nhân, Hóa keo, Nhà XB ĐHQG Hà nội 6. http://www HÓA LÝ ? Sự hiểubiết Khoa học Hóa học Hóa lý Nhân loạiXãhội (khoa học) Vậtlý Sinhhọc Hóa Phân tích Hóa Vô cơ, Hcơ Vĩ mô (Macroscopis) Nhiệt động học Phân tử (Molecular) Hóa học lượng tử Phương pháp Phổ Nhiệt động họcthống kê Động học Biến đổiCân bằng Cấu trúc HÓA LÝ ? 2 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC?  Nghiên cứu mqh giữa nhiệtvàcácdạng năng (cơ, điện, hóa,…) và sự biến đổitrạng thái củahệ  Tìm ra quy luật xảy ra cho hệ nghiên cứu  Nghiên cứuvàchứng minh sự tồntại các nguyên lý 1, 2 và 3 của NĐH  Ứng dụng các nglý đó vào cân bằng hóa học, cân bằng pha và dung dịch NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC?  Hiệu ứng nhiệtcủaphản ứng  Chều hướng và giớihạn củaphản ứng hóa học (ảnh hưởng các yếu tố bên ngoài: P, T, V,… lên chuyểndịch cân bằng củaphản ứng)  Nghiên cứucânbằng pha (các qt nóng chảy, bay hơi,…)  Nghiên cứu tính chất dung dịch và các ứng dụng thựctiễncủa các quy luật  Quan tâm đến trạng thái đầu và cuốicủaphản ứ ng 2 m m V a bV RT p − − = Sadi Carnot NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Máy hơi nước: Sự quay bánh và trụcnhờ vào sự giãn nở của hơi nướcvàlà mộtquátrình liên tiếp. Trong thựctế, cần phải có sự mồi ban đầu cho bánh và trụcquay. 2 m m V a bV RT p − − = Sadi Carnot NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Le Chaterlier Gibbs François-Marie Raoult KHÁI NIỆM •Hệ (System) • Môi trường (Surrounding) • Không gian (Universe) Hệ Môi trường Các loại Hệ (Types of Systems) • Hệ mở - Open System • Hệ kín - Closed System • Hệ cô lập - Isolated System M M ở ở K K í í n n Cô l Cô l ậ ậ p p 3 KHÁI NIỆM ¾ Trạng thái (State) Hàm trạng thái ¾ Quá trình (Process) HÀM TRẠNG THÁI – HÀM QUÁ TRÌNH ? KHÁI NIỆM ¾ Cân bằng (Equilibrium) •Cânbằng tĩnh •Cânbằng động KHÁI NIỆM ¾ Các loại cân bằng • Cân bằng nhiệt (Thermal equilibrium) • Cân bằng cơ học (Mechanical equilibrium) • Cân bằng pha (Phase equilibrium) • Cân bằng hóa học (Chemical equilibrium) Hàm trạng thái và Phương trình trạng thái Trạng thái của1 hệ đượcxác định bởitậphợp các thông số như T, P, V, C Các thông số trạng thái ở mỗi trạng thái chỉ có 1 giá trị xác định và chỉ phụ thuộcvàotrạng thái : gọilàhàmtrạng thái cd T 1 , P 1 , V 1 , C 1 T 2 , P 2 , V 2 , C 2 •Khí lý tưởng • Phtrình KLT R = 0.0820578 L atm K-1 mol-1 = 8.31451 J K-1 mol-1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng V nRT p = Các hạt giống nhau có kích thước vô cùng nhỏ so với thể tích củakhối khí và không tương tác với nhau • Khí thực • Phtrình trạng thái 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = V n a nbV nRT p Phương trình trạng thái của khí thực a,b : hằng số ở trạng thái áp suất cao và nhiệt độ thấp, lực tương tác giữacáchạt trong khí (các phân tử hay nguyên tử) có ảnh hưởng đáng kể trong các tính chất củakhí 4 Phương trình trạng thái của khí thực Khí thực: CO 2 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = V n a nbV nRT p • C-D-E: p = constant khi V m giảm: chất lỏng và khí nằm trong cân bẳng (tại áp suất hơi) • A: Khí, E: Lỏng •Tại điểm tới hạn(T c , p c , V c ) pha khí và pha lỏng nằm trong cân bằng • Pha lỏng không hình thành khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn (T c ) •T >T c thì PV gần như không đổi nên khí coi như lý tưởng. KHÁI NIỆM Quá trình và chu trình • Quá trình • Chu trình (Cycle) State A State B i j k l KHÁI NIỆM Quá trình (biến đổi) • Quá trình đẳng nhiệt • Quá trình đẳng áp • Quá trình đẳng tích • Quá trình đoạn nhiệt • Quá trình thuận nghịch • Quá trình không thuận nghịch Các dạng Quá trình State A State B KHÁI NIỆM • Quá trình thuận nghịch Dẫn hệ liên tiếp qua các trạng thái cân bằng Đặc điểm cơ bản của quá trình thuận nghịch là sau khi quá trình thựchiệnta cóthể đưa hệ trở lại trạng thái đầu mà môi trường xung quanh không chịu1 biến đổinào (không nhận và không mất công) State A State B i j k l KHÁI NIỆM • Quá trình thuận nghịch: Giãn nở thuận nghịch khí System P Hệ 1 2 P ext P Giảm P ext P>P ext Cân bằng Cân bằng mới Hệ 2 1 P Tăng P ext P<P ext P ext P ext Sự trao đổi năng lượng Năng lượng: Công Nhiệt Năng lượng củahệ bao gồm: động năng chuyển động tịnh tiến củahệ, thế năng tương tác củahệ trong trọng trường và năng lượng nộitại bên trong hệ gọilànội năng. NĐH thường xét những hệ không chuyển động và không chịutác động của trường ngoài, khi đóE hệ = U (Nội năng) Hình thứctruyền năng lượng có liên quan đến sự chuyển động định hướng của cả hệ Hình thứcchuyển năng lượng từ hệ này sang hệ khác chỉ liên quan đến sự tăng cường độ chuyển động của các phân tử trong hệ nhận năng lượng 5 Sự trao đổi năng lượng Trong NĐH, quy ước: ¾ Hệ nhận nhiệtQ > 0 ¾ Hệ phát nhiệtQ < 0 ¾ Hệ sinh công A > 0 (*) ¾ Hệ nhậncôngA < 0 CaCO 3 CaO CO 2 Heat Heat Melting Ice Công A NhiệtQ (*): P. Atkin - Hệ sinh công A < 0 Sự trao đổi năng lượng – Nhiệt •Sự truyền nhiệt • Nguyên lý 0 của NĐH: T A =T B , T B =T C →T A =T C Nhiệt dung • Nhiệt dung của1 hệ là tỉ số giữa lượng nhiệthệ trao đổivới biến thiên tương ứng nhiệt độ củahệ, • Nhiệt dung có ý nghĩa là lượng nhiệtcần thiết để nâng hệ lên 1 Kenvin, • Nhiệt dung của1 hệ không có giá trị xác định vì δQ là hàm quá trình nên C phụ thuộc vào cách tiến hành của quá trình dẫn nhiệtvàohệ; có giá trị xác định khi chỉ rõ điều kiện dẫn nhiệt vào hệ. δQ → dT ; C = dT Qδ Công giãn nở P ext System dV 1 2 P P ext Áp suất V 1 V 2 Thể tích ∫ = = dVPA dVPdA ext ext dxFdA ext = VPA ext Δ = Định nghiã Vậtlý Nhiệt động học Hệ sinh công A > 0 Hệ thống thứ nguyên ¾ mét (m) - đơn vị chiều dài, ¾ kilôgam (kg) - đơn vị khối lượng, ¾ giây (s) - đơn vị thời gian, ¾ mole (mol) - đơn vị lượng chất ¾ độ Kelvin (K) - đơn vị nhiệt độ theo nhiệt động học, ¾ ampe - đơn vị cường độ dòng điện, ¾ canđêla (cd) - đơn vị độ sáng, 7 đơn vị cơ bản là: Hệ thống thứ nguyên Lực : Đơn vị là Niutơn (N). 1N = 1 kg.m.s −2 Áp suất : Đơn vị là N.m −2 hay pascal (Pa) Thể tích : Đơn vị là m 3 Năng lượng : Đơn vị là Jun (J) 1J = 1N.m = 1 kg.m 2 .s −2 1 cal = 4,18 jun = 0,0413 l .atm = 413 cm 3 .atm 1 atmôtphe kĩ thuật (kí hiệu at) = 9,81.104 N.m −2 = 0,981 bar . chi tiết họcphần Phần 1: Nhiệt động hóa học Phần 1: Nhiệt động hóa học Phần 2: Hóa họcchất keo Phần 2: Hóa họcchất keo ¾ Mở đầu ¾ Nguyên lý 1 củaNhiệt động học ¾ Nguyên lý 2 củaNhiệt động học ¾. Sinhhọc Hóa Phân tích Hóa Vô cơ, Hcơ Vĩ mô (Macroscopis) Nhiệt động học Phân tử (Molecular) Hóa học lượng tử Phương pháp Phổ Nhiệt động họcthống kê Động học Biến đổiCân bằng Cấu trúc HÓA LÝ ? 2 NHIỆT. 1 NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC VÀ HÓA KEO ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HOÁ HỌC ******* Nguyễn Xuân Hoàn Giớithiệu chung Kiểmtra, đánh giá: theo hình thứcTínchỉ Mụctiêuhọcphần: