HÓA ĐẠI CƯƠNG -CHAPTER 6 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

Hệ nhiệt động : là một vật thể hay nhĩm vật thể được nghiên cứu và tách biệt với mơi trường xung quanh Hoặc phát biểu cách khác: Hệ là tập hợp các vật thể xác định trong khơng gian

HÓA ĐẠI CƯƠNG

Nhi t đ ng l c hóa h c ệ ộ ự ọ

6.1 Đối tượng nghiên cứu của NĐLH

6.2 Các khái niệm cơ bản

6.2 Nguyên lý 1 của nhiệt động học

6.4 Định luật Hess

6.5 Nguyên lý thứ 2 của NĐLH và chiều quá

trình HH

6.6 Bài tập

6.1 Đố ượ i t ng nghiên c u c a N LH ứ ủ Đ

i t ng nghiên c u c a nhi t ng l c h c và nhi t ng l c h c hoá h c là:

Đố ượ i t ng nghiên c u c a nhi t ứ ủ ệ độ ng l c h c và nhi t ự ọ ệ độ ng l c h c hoá h c là: ự ọ ọ

• Nhi t Nhi t ệ độ ệ độ ng l c h c là khoa h c nghiên c u các quy lu t v s bi n hóa t d ng ng l c h c là khoa h c nghiên c u các quy lu t v s bi n hóa t d ng ự ự ọ ọ ọ ọ ứ ứ ậ ề ự ế ậ ề ự ế ừ ạ ừ ạ

n ng l ă ượ ng này sang d ng n ng l ạ ă ượ ng khác và thi t l p các nh lu t c a s ế ậ đị ậ ủ ự

n ng l ă ượ ng này sang d ng n ng l ạ ă ượ ng khác và thi t l p các nh lu t c a s ế ậ đị ậ ủ ự

bi n ế đổ đ i ó C s c a nhi t ơ ở ủ ệ độ ng l c h c là là 2 nguyên lý nhi t ự ọ ệ độ ng l c h c ự ọ

bi n ế đổ đ i ó C s c a nhi t ơ ở ủ ệ độ ng l c h c là là 2 nguyên lý nhi t ự ọ ệ độ ng l c h c ự ọ

• Nhi t Nhi t ệ độ ệ độ ng l c h c hóa h c là khoa h c nghiên c u các quy lu t v s bi n ng l c h c hóa h c là khoa h c nghiên c u các quy lu t v s bi n ự ự ọ ọ ọ ọ ọ ọ ứ ứ ậ ề ự ế đổ ậ ề ự ế đổ i i qua l i gi a hóa n ng và các d ng n ng l ạ ữ ă ạ ă ượ ng khác trong các quá trình hóa h c ọ

qua l i gi a hóa n ng và các d ng n ng l ạ ữ ă ạ ă ượ ng khác trong các quá trình hóa h c ọ

6 2 Khái niệm cơ bản sử dụng trong nhiệt động lực học và nhiệt hố học

6.2.1 Hệ ( nhiệt động ): là một vật thể

hay nhĩm vật thể được nghiên cứu và

tách biệt với mơi trường xung quanh

Hoặc phát biểu cách khác: Hệ là tập hợp

các vật thể xác định trong khơng gian

nào đĩ và phần cịn lại xung quanh gọi là

mơi trường

1 Hệ cơ lập: là hệ khơng trao đổi chất và E

với mơi trường bên ngồi

2 Hệ kín (hệ đĩng)

Hệ kín là hệ chỉ có thể trao đổi E với MT ngoài.

H kín ệ

Chất Chất Chất Chất

Nhiệt Nhiệt

4 H đ ng th và h d th , pha, h cân b ng ệ ồ ể ệ ị ể ệ ằ

• H H ệ đồ ệ đồ ng th là h có các tính ch t lý hoá h c gi ng nhau m i i m c a h ngh a là không ng th là h có các tính ch t lý hoá h c gi ng nhau m i i m c a h ngh a là không ể ể ệ ệ ấ ấ ọ ọ ố ố ở ọ đ ể ở ọ đ ể ủ ủ ệ ệ ĩ ĩ

có s phân chia h thành nh ng ph n có tính ch t hoá lý khác nhau ự ệ ữ ầ ấ

có s phân chia h thành nh ng ph n có tính ch t hoá lý khác nhau ự ệ ữ ầ ấ

• H d th là h có b m t phân chia thành nh ng ph n có tính ch t hoá lý khác nhau H d th là h có b m t phân chia thành nh ng ph n có tính ch t hoá lý khác nhau ệ ị ể ệ ị ể ệ ệ ề ặ ề ặ ữ ữ ầ ầ ấ ấ

• Pha là ph n Pha là ph n ầ đồ ầ đồ ng th c a h , có thành ph n, c u t o và tính ch t nh t nh H ng th c a h , có thành ph n, c u t o và tính ch t nh t nh H ể ủ ể ủ ệ ệ ầ ầ ấ ạ ấ ạ ấ ấ ấ đị ấ đị ệ đồ ệ đồ ng th là ng th là ể ể

h 1 pha, h d th là h nhi u pha ệ ệ ị ể ệ ề

h 1 pha, h d th là h nhi u pha ệ ệ ị ể ệ ề

• H cân b ng là h có nhi t H cân b ng là h có nhi t ệ ệ ằ ằ ệ ệ ệ độ ệ độ , áp su t, thành ph n gi ng nhau m i i m c a h và không , áp su t, thành ph n gi ng nhau m i i m c a h và không ấ ấ ầ ầ ố ố ở ọ đ ể ở ọ đ ể ủ ủ ệ ệ thay đổ i theo th i gian ờ

thay đổ i theo th i gian ờ

6.2.2 Tr ng thái c a h và thông s ( tham s ) ạ ủ ệ ố ố

tr ng thái, hàm tr ng thái ạ ạ

• Tr ng thái Tr ng thái ạ ạ c a h là toàn b các tính ch t lý, hoá c a h c a h là toàn b các tính ch t lý, hoá c a h ủ ủ ệ ệ ộ ộ ấ ấ ủ ủ ệ ệ

• Thông s tr ng thái Thông s tr ng thái ố ạ ố ạ : Tr ng thái c a h : Tr ng thái c a h ạ ạ ủ ủ ệ đượ ệ đượ c xác nh b ng các thông s (tham s ) nhi t c xác nh b ng các thông s (tham s ) nhi t đị đị ằ ằ ố ố ố ố ệ ệ

ng là: nhi t T, áp su t P, th tích V, n ng C…

độ ng là: nhi t ệ độ T, áp su t P, th tích V, n ng ấ ể ồ độ C…

•Ph Ph ươ ươ ng trình tr ng thái ng trình tr ng thái ạ ạ mô t t mô t t ả ươ ả ươ ng quan gi a các thông s tr ng thái ng quan gi a các thông s tr ng thái ữ ữ ố ạ ố ạ

•Có 2 lo i thông s tr ng thái Có 2 lo i thông s tr ng thái ạ ạ ố ạ ố ạ

+ Thông s c Thông s c ố ườ ố ườ ng ng độ độ : Không ph thu c vào l : Không ph thu c vào l ụ ụ ộ ộ ượ ượ ng ch t : nh nhi t ng ch t : nh nhi t ấ ấ ư ư ệ độ ỉ ệ độ ỉ , t kh i, áp su t… , t kh i, áp su t… ố ố ấ ấ

+ Thông s khuy ch + Thông s khuy ch ố ố ế ế độ độ (dung (dung độ độ ): ): là nh ng thông s ph thu c vào l là nh ng thông s ph thu c vào l ữ ữ ố ố ụ ụ ộ ộ ượ ượ ng ch t kh i l ng ch t kh i l ấ ấ ố ượ ố ượ ng, ng,

s mol, th tích… ố ể

s mol, th tích… ố ể

• Tr ng thái cân b ng: Tr ng thái cân b ng: ạ ạ ằ ằ là là tr ng thái t là là tr ng thái t ạ ạ ươ ươ ng ng v i h cân b ng ( Khi các thông s tr ng thái ng ng v i h cân b ng ( Khi các thông s tr ng thái ứ ứ ớ ệ ớ ệ ằ ằ ố ạ ố ạ

gi ng nhau m i i m và không ố ở ọ đ ể đổ i theo th i gian) ờ

gi ng nhau m i i m và không ố ở ọ đ ể đổ i theo th i gian) ờ

• Hàm tr ng thái Hàm tr ng thái ạ ạ : : đạ ượ đạ ượ i l i l ng nhi t ng nhi t ệ độ ệ độ ng ng đượ đượ c g i là hàm tr ng thái n u bi n thiên c a c g i là hàm tr ng thái n u bi n thiên c a ọ ọ ạ ạ ế ế ế ế ủ đạ ủ đạ i i

l ượ ng ó ch ph thu c và tr ng thái đ ỉ ụ ộ ạ đầ u và tr ng thái cu i c a h , không ph thu c vào cách ạ ố ủ ệ ụ ộ

l ượ ng ó ch ph thu c và tr ng thái đ ỉ ụ ộ ạ đầ u và tr ng thái cu i c a h , không ph thu c vào cách ạ ố ủ ệ ụ ộ

ti n hành ế

ti n hành ế

Nói cách khác Hàm tr ng thái Hàm tr ng thái ạ ạ là là đạ ượ đạ ượ i l i l ng nhi t ng nhi t ệ độ ệ độ ng có giá tr ch ph thu c vào các thông s ng có giá tr ch ph thu c vào các thông s ị ị ỉ ỉ ụ ụ ộ ộ ố ố

tr ng thái c a h mà không ph thu c vào cách bi n ạ ủ ệ ụ ộ ế đổ ủ i c a h , hay nói cách khác không ph ệ ụ

tr ng thái c a h mà không ph thu c vào cách bi n ạ ủ ệ ụ ộ ế đổ ủ i c a h , hay nói cách khác không ph ệ ụ

thu c vào con ộ đườ ng i c a h đ ủ ệ

thu c vào con ộ đườ ng i c a h đ ủ ệ

(Nhi t (Nhi t ệ độ ệ độ T, áp su t P, Th tích V, N i n ng U, entanpi H, entropi S, th T, áp su t P, Th tích V, N i n ng U, entanpi H, entropi S, th ấ ấ ể ể ộ ă ộ ă ế đẳ ế đẳ ng áp G…là nh ng ng áp G…là nh ng ữ ữ hàm tr ng thái) ạ

hàm tr ng thái) ạ

đổ ọ đẳ đẳ ng tích ng tích và nhi t và nhi t ở ở ệ độ ệ độ không không đổ ọ đổ ọ i g i là quá trình i g i là quá trình đẳ đẳ ng nhi t… ng nhi t… ệ ệ

• Quá trình thu n ngh ch Quá trình thu n ngh ch ậ ậ ị ị : là quá trình bi n : là quá trình bi n ế đổ ừ ạ ế đổ ừ ạ i t tr ng thái này qua tr ng thái khác ( t 1 i t tr ng thái này qua tr ng thái khác ( t 1 ạ ạ ừ ừ → → 2) 2)

c g i là thu n ngh ch n u nh có th bi n i theo chi u ng c l i ( t 2

đượ c g i là thu n ngh ch n u nh có th bi n ọ ậ ị ế ư ể ế đổ i theo chi u ng ề ượ ạ c l i ( t 2 ừ

đượ ọ ậ ị ế ư ể ế đổ ề ượ ạ ừ → → 1) 1) i qua i qua đ đ úng m i tr ng thái trung gian nh chi u thu n sao cho khi h tr v tr ng thái ban u

đ úng m i tr ng thái trung gian nh chi u thu n sao cho khi h tr v tr ng thái ban ọ ạ ư ề ậ ệ ở ề ạ đầ u

thì không còn t n t i m t bi n ồ ạ ộ ế đổ i nào trong chính h c ng nh môi tr ệ ũ ư ườ ng

thì không còn t n t i m t bi n ồ ạ ộ ế đổ i nào trong chính h c ng nh môi tr ệ ũ ư ườ ng

• Quá trình không thu n ngh ch Quá trình không thu n ngh ch ậ ậ ị ị là quá trình mà sau ó h và môi tr là quá trình mà sau ó h và môi tr đ ệ đ ệ ườ ườ ng không th quay tr l i ng không th quay tr l i ể ể ở ạ ở ạ

tr ng thái ban ạ đầ u

tr ng thái ban ạ đầ u

• Nhi t và công là hai hai hình th c trao Nhi t và công là hai hai hình th c trao ệ ệ ứ ứ đổ ủ đổ ủ i c a h v i môi tr i c a h v i môi tr ệ ớ ệ ớ ườ ườ ng ng

+ D ng truy n nhi t là d ng truy n n ng l + D ng truy n nhi t là d ng truy n n ng l ạ ạ ề ề ệ ệ ạ ạ ề ề ă ă ượ ượ ng vô h ng vô h ướ ướ ng, không có tr t t , ng, không có tr t t , ậ ự đượ ậ ự đượ c th c c th c ự ự

Các dạng năng lượng

V= hằng số, ΔU=Qv P= hằng số, ΔU=Qp + P ΔV

Năng lượng, nhiệt và công

• Công là thước đo sự chuyển động có trật tự, có hướng của các tiểu phân trong hệ Hệ nhận công: A < 0 Hệ sinh công: A > 0.

• A = Pngoài(V2 – V1)

Các d ng n ng l ng ạ ă ượ

• Độ Độ ng n ng: d ng E ng n ng: d ng E ă ă ạ ạ đặ đặ c tr ng cho v t chuy n c tr ng cho v t chuy n ư ư ậ ậ ể độ ể độ ng E ng E đ=(mv 2 )/2

• Th n ng: là E c a h có do v trí c a nó trong tr Th n ng: là E c a h có do v trí c a nó trong tr ế ă ế ă ủ ủ ệ ệ ị ị ủ ủ ườ ườ ng l c E ng l c E ự ự t= mgh

• Đ ệ Đ ệ i n n ng: là E chuy n i n n ng: là E chuy n ă ă ể độ ể độ ng c a các ti u phân tích i n ng c a các ti u phân tích i n ủ ủ ể ể đ ệ đ ệ

• Nhi t n ng: n ng l Nhi t n ng: n ng l ệ ă ệ ă ă ă ượ ượ ng có liên quan ng có liên quan đế đế n s chuy n n s chuy n ự ự ể độ ể độ ng h n lo n c a các ng h n lo n c a các ỗ ỗ ạ ạ ủ ủ

ti u phân ể

ti u phân ể

• Hoá n ng là n ng l Hoá n ng là n ng l ă ă ă ă ượ ượ ng g n li n v i s bi n ng g n li n v i s bi n ắ ắ ề ề ớ ự ế đổ ớ ự ế đổ i ch t i ch t ấ ấ

• N i n ng U là n ng l N i n ng U là n ng l ộ ă ộ ă ă ă ượ ượ ng d tr bên trong h g m ng d tr bên trong h g m ự ữ ự ữ ệ ồ độ ệ ồ độ ng n ng c a các phân t , ng n ng c a các phân t , ă ă ủ ủ ử ử

l c hút ự đẩ ủ y c a các ti u phân mang i n, n ng l ể đ ệ ă ượ ng c a các liên k t hoá h c, ủ ế ọ

l c hút ự đẩ ủ y c a các ti u phân mang i n, n ng l ể đ ệ ă ượ ng c a các liên k t hoá h c, ủ ế ọ

n ng l ă ượ ng h t nhân ạ

n ng l ă ượ ng h t nhân ạ

• Nh v y E (h ) = E Nh v y E (h ) = E ư ậ ư ậ ệ ệ đ đ + Et + U

6.3 Nguyên lý 1 của nhi t ệ đ ộ l c ng ự học.

Định luật bảo toàn năng lượng

6.3.1 Nguyên lý Năng lượng khơng tự nhiên sinh ra hay tự

biến mất mà nĩ chỉ cĩ thể chuyển từ dạng này sang dạng khác theo tỉ lệ tương đương nghiêm ngặt

Ví dụ: Hệ kín

Hấp thụ một năng lượng = Q

Một cơng A lực bên ngồi tác dụng vào hệ.

Trạng thái hệ: 1 sang trạng thái 2

Nội năng của hệ từ U1 sang U2

ΔU = Q + A

Trong đó: ΔU = U2 – U1 là biến thiên nội năng của hệ.

P

Q khi

6.3.2 Các đại lượng nhiệt động: Nội năng, entanpi

và nhiệt dung

1 Nội năng U và nhiệt đ ẳ ng tích

V í dụ

Tức V1 = V2 ⇒ A = 0 Do đó: Qv = ∆ UV

Vậy sự tăng hay giảm nội năng của hệ đúng bằng nhiệt

lượng hệ thu vào hay tỏa ra.

2 Entanpi và Nhiệt đẳng áp

 Quan hệ giữa Q p và Q v cuûa chaát khí

ΔH = ΔU + ΔnRT

Qui ước dấu

3 Nhi t dung ệ và nhiệt dung mol

a Nhiệt dung: là nhiệt lượng cần thiết để nâng một lượng chất nào đó lên 1 độ

b Nhi t dung riêng : là nhi t ệ ệ

b Nhi t dung riêng : là nhi t ệ ệ lượng c n thi t c n thi t ầ ầ ế để ế để nâng 1g ch t lên 1 nâng 1g ch t lên 1 ấ ấ độ độ

c Nhi t dung mol: Nhi t l ệ ệ ượ ng c n thi t ầ ế để nâng nhi t ệ độ ủ c a 1 mol ch t lên 1 ấ

c Nhi t dung mol: Nhi t l ệ ệ ượ ng c n thi t ầ ế để nâng nhi t ệ độ ủ c a 1 mol ch t lên 1 ấ độ

mà khơng cĩ s bi n ự ế đổ ề ạ i v tr ng thái

mà khơng cĩ s bi n ự ế đổ ề ạ i v tr ng thái

C n

T

Q T

T

Q C

- ∆ H = QP

Qhệ = -Qmt

- Môi trường xung quanh là nước và trong nhiệt lượng

kế

Qhệ = - (qnước + qnhiệt lương kế)

Bỏ qua Q nhiệt lương kế

Qhệ = - Qnước

Chệmhệ ∆ T = - cnướcmnước ∆ Tnước

Đo nhiệt dung

P= hằng số

soá mol NH4NO3 = 3.88g/80.032g/mol = 0.04848mol

ΔH = q mẫu/moles

ΔH = 1229J/0.04848mol

Ví dụ

15.5g h p kim ợ đượ c nung nóng t i 98.9 ớ

15.5g h p kim ợ đượ c nung nóng t i 98.9 ớ 0 C

và th vào trong 25.0 g n ả ướ c trong nhi t ệ

và th vào trong 25.0 g n ả ướ c trong nhi t ệ

1 H iệu ứng nhiệt phản ứng: Nhiệt lượng toả ra hay thu vào của một phản ứng hĩa học để làm thay đổi nội năng hay entanpi của hệ.

+Nếu nhiệt dùng để biến đổi nội năng goiï là hiệu ứng nhiệt đẳng tích còn để biến đổi entanpi gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp

6.3.3 Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hố học ( Nhiệt hóa học)

• + Đối với những quá trình xãy ra trong chất rắn và lỏng thì ∆V thay đổi không đáng kể khi đó ∆H = ∆U

Bắt đầu Kết thúc

Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng hĩa học phụ thuộc vào trạng thái của các chất phản ứng đầu và trạng thái của các sản phẩm cuối mà khơng phụ thuộc vào các giai đoan trung gian

+ Phương trình hóa học có ghi thêm nhiệt lượng tỏa ra

hay thu vào và trạng thái của các chất gọi là phương

trình nhiệt hóa học

C (r) + O2 (k) → CO2 (k) , ∆ H= -395,50kJ

2 Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn

• Đại lượng này được tính đối với 1mol chất và ứng với điều kiện chuẩn của chất: là tất cả các chất tham gia vào phản ứng phải ở trạng thái bền, ở áp suất chuẩn 101,325 kPa (1atm)

• Hiệu ứng nhiệt này gọi là hiệu ứng nhiệt chuẩn và ký hiệu ∆H 0 298 hoặc ∆H 0 nếu không chú ý đến nhiệt độ

3 Nhi t tạo thành , nhiệt phân hủy và nhiệt đốt cháy ệ

a Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt) của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền vững nhất trong

những điều kiện đã cho về áp suất và nhiệt độ

Ví dụ: H2O (l) H → 2 (k) + 1/2O2 (k)

ΔH0 (H O,l) = + 285,84 kJ/mol

Nhiệt tạo thành và phân hủy của một hợp chất

bằng nhau về trị số nhưng trái dấu

Định luật Lavoisier-Laplace

c Nhieôt ñoât chaùy (thieđu nhieôt)

• - Nhieôt ñoât chaùy laø hieôu öùng nhieôt cụa phạn öùng ñoât chaùy 1 mol chaât baỉng oxy ñeơ táo thaønh sạn phaơm chaùy ôû aùp suaât khođng ñoơi.

• Ví dú: CH 4 (k) + 2O 2 (k) = CO 2 (k) + H 2 O (l)

• ΔH 0 ñc (CH 4,k ) = - 212,7 kcal/mol ) = - 212,7 kcal/mol

• -Neâu nhieôt ñoẫt chaùy ñöôïc qui veă ñieău kieôn tieđu chuaơn ñöôïc gói laø nhieôt ñoât chaùy tieđu chuaơn, kyù hieôu ∆H 0 ñc 298

6.4 Định luật Hess và những hệ quả đl Hess

6.4.1 Nội dung Nếu có nhiều cách để chuyển các chất ban đầu như nhau thành

những sản phẩm cuối cùng như nhau thì hiệu ứng nhiệt tổng cộng theo cách nào cũng giống nhau

Hay nói cách khác Hay nói cách khác Hi u ng nhi t c a m t ph n ng hĩa h c Hi u ng nhi t c a m t ph n ng hĩa h c ệ ứ ệ ứ ệ ủ ệ ủ ộ ộ ả ứ ả ứ ọ ọ chỉ ph thu c ph thu c ụ ụ ộ ộ vào bản chất và tr ng thái c a các ch t ph n ng tr ng thái c a các ch t ph n ng ạ ạ ủ ủ ấ ấ ả ứ ả ứ đầ đầ u và c a các s n ph m cu i mà u và c a các s n ph m cu i mà ủ ủ ả ả ẩ ẩ ố ố khơng ph thu c vào cách ụ ộ

khơng ph thu c vào cách ụ ộ thực hiện phản ứng

Entanpi là hàm trạng thái và không phụ thuộc vào quá trình

• 6.4.2 Một số hệ quả

• Hệ quả 1 Hệ quả 1 : Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành (sinh nhi t) : Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành (sinh nhi t) ệ ệ

của các sản phẩm trừ tổng nhiệt tạo thành của các tác chất

• ΔH 0 298 = ΣΔH 0 tt (sp) – tt (sp) – ΣΔH 0 tt(tc)

Ví du 1ï: Xác định nhiệt phản ứng cho phản ứng sau:

Gợi ý: Ba phản ứng trên phải được tổ hợp toán học

để thu được phản ứng mong muốn.

Và ∆ H …

4NH3(g) + 5O2(g)  4NO(g) + 6H2O(g) Sử dụng các phản ứng:

Ví duï 2 CaCO 3 (r) → CaO (r) + CO 2 (k)

ΔH0298 = ? Bieát:

ΔH0tt -1206,9 - 635,6 -393,5 (kJ)

ΔH0298 = - 635,6 -393,5 + 1206,9 = +177,8 kJ

Ví duï 2 Xác định nhiệt phản ứng cho phản ứng sau:

Hệ quả 3

• Hệ quả 3: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng năng lượng liên kết có trong các chất ban đầu trừ tổng năng lượng liên kết có trong các sản phẩm.

• ΔH 0 298 = ΣElk (tc) – ΣElk(sp)