Nhiệt động hóa học chemical thermodynamics

NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC CHEMICAL THERMODYNAMICS MỤC TIÊU CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Nghiên cứu quy luật biến chuyển tương hỗ hóa dạng lượng khác trình hóa học Nghiên cứu điều kiện tự diễn biến (phản ứng hóa học) điều kiện bền vững (trạng thái cân bằng) hệ hóa học MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN • Systems and Surroundings (Hệ thống mơi trường) • System (Hệ thống): part of the universe we are interested in • Surroundings(mơi trường ): the rest of the universe MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ hóa học lượng đònh hay nhiều chất điều kiện nhiệt độ, áp suất nồng độ đònh(trong nghiên cứu nhiệt động học gọi hệ thống - system) Hệ mở hệ trao đổi vật chất lượng với mơi trường Hệ kín hệ trao đổi lượng với mơi trường Hệ cô lập hệ trao đổi lượng vật chất với môi trường bên MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ đồng thể hệ có tính chất hóa học vật lý giống toàn thể tích hệ Hệ dò thể hệ có bề mặt phân chia phần hệ thành phần có tính chất hóa học vật lý khác Pha phần đồng thể hệ dò thể có thành phần , cấu tạo , tính chất đònh phân chia với phần khác bề mặt phân chia MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Nhiệt dung (C) chất lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ lượng xác đònh chất lên độ Nhiệt dung riêng lượng nhiệt cần dung để nâng gam chất lên độ Nhiệt dung phân tử lượng nhiệt cần dùng để nâng mol chất lên độ Nhiệt dung đẳng áp nhiệt dung trình nâng nhiệt điều kiện đẳng áp, ký hiệu CP Nhiệt dung đẳng tích nhiệt dung trình nâng nhiệt điều kiện đẳng tích, Ký hiệu CV Đối với khí lý tưởng, xét cho mol khí thì: Cp=5R/2 ; Cv =3R/2; với R=8,3145 J/mol độ • Ví dụ : Nhiệt dung riêng đẳng áp nước khoảng 14,50C – 15,50C cal / g.độ , nhiệt dung phân tử đẳng áp nước khoảng nhiệt độ 18,015 cal/mol độ NĂNG LƯNG • Là thước đo độ vận động vật chất ng với hình thái vận động khác vật chất có hình thái lượng khác năng, động năng, nội • Hai dạng thể lượng NHIỆT, CÔNG • Lưu ý: giá trò lượng tuyệt đối mà có lượng ứng với hệ quy chiếu chuẩn Đơn vò đo lượng Theo SI Joule (J): E k = mv = ( kg )( m/s ) 2 2 = kg m / s =1J Đôi dùng đơn vò calorie: cal = 4.184 J Đơn vò Calory dinh dưỡng (Cal) (nutritional Calorie): Cal = 1000 cal = kcal NHIỆT • Nhiệt (q) thước đo chuyển động hỗn loạn ( chuyển động nhiệt) tiểu phân tạo nên chất hay hệ CÔNG • Công (w) thước đo chuyển động có trật tự có hướng tiểu phân theo hướng trường lực • CÔNG (W) = tích lực (F)tác dụng lên vật làm vật di chuyển quãng đường d w=F×d 10 Bài • Khi lít dung dòch Ba(NO3)2 1M 25 0C trộn lẫn với lít dung dòch Na2SO4 1M 25oC nhiệt lượng kế ta thấy nhiệt lượng kế xuất chất kết tủa màu trắng BaSO4 đồng thời nhiệt độ nhiệt lượng kế tăng từ 250C lên tới 28,1oC Hãy tính biến đổi entalpi trình hình thành mol BaSO4 biết dung dòch có tỉ trọng l1 1g/ml có nhiệt dung riêng 4,18 J oC-1 g-1 Giả sử lượng nhiệt hấp thu nhiệt lượng kế không đáng kể 94 Lời giải Khi trộn lẫn hai dung dòch , phản ứng xảy là: Ba2+(dung dòch) + SO42-(dung dòch) = BaSO4 (rắn) Do nhiệt độ dung dòch tăng lên nên phản ứng tỏa nhiệt; ∆H có dấu âm Đây biến đổi đẳng áp biến đổi entalpi hiệu ứng nhiệt phản ứng: ∆H = q mà q = nhiệt toả phản ứng = nhiệt hấp thu dung dòch = (nhiệt dung riêng dung dòch)x(khối lượng dung dòch)x(độ tăng tăng nhiệt độ) nhiệt hấp thu dung dòch= (4,14 J oC-1 g-1)x(2 x103 g)x(28,1 oC –25oC) = 2,6 x104 J Như mol BaSO4 hình thành lượng nhiệt tỏa 2,6 x 104 J Vậy: ∆H = - 2,6 x104 J/mol = -26 kJ/mol 95 Bài • Khi mol khí SO2 phản ứng hoàn toàn với mol khí O2 để tạo thành mol khí SO3 25 oC áp suất không đổi atm tỏa lượng nhiệt 198 kJ Hãy tính ∆H ∆U cho trình biến đổi 96 Lời giải Bài giải: Số mol khí trước phản ứng : Số mol khí sau phản ứng: ∆n = nsau - ntrước = - mol SO2 + mol mol O2 = mol mol SO3 mol mol n trước = mol n sau = mol Ở điều kiện đẳng áp ∆H= q = -198 kJ (dấu – thể trình tỏa nhiệt) ∆U = q + w J   RT   Với w = -P∆V= ∆n   = −∆nRT = −( − 1mol )  8,3145 ( 298K ) = 2,48kJ P Kmol     Vậy: ∆U = q + w = -198 kJ + 2,48 kJ = -196 kJ Nhận xét ∆U ∆H khác có thay đổi thể tích hệ phản ứng xảy (công thực từ môi trường vào hệ) 97 Bài Hãy tính ∆H0 cho phản ứng đốt cháy NH3 sau: 4NH3 (k) + 7O2 (k) = NO2 (k) + H2O (l) 98 Lời giải Chất ∆H0f (kJ/mol) NH3 (k) NO2(k) H2O (l) Al2O3 (r) Fe2O3 (r) CO2 (k) CH3OH (l) C8H18 (l) -46 34 -286 -167 -826 -349 -239 -269 Bài giải: 4NH3 (k) 7O2 ∆H0(a) ∆H0(b) =0 2N2 (k) + H2 (k) O2 (k) ∆H0(c) 4NO2 (k) ∆H0(d) 6H2O (l) ∆H0phản ứng = ∆H0(a) + ∆H0(b) +∆H0(c) +∆H0(d) = (-∆H0f (NH3)+ ) + + 4(∆H0f (NO2)) + 6(∆H0f (H2O)) = ∆H0f (sản phẩm) - ∆H0f (tác chất) ∆H0phản ứng = 6(-286 kJ) + 4(34kJ) – 4(-46 kJ) = -1369 kJ 99 Bài Cho số liệu sau: H2 (k) + ½ O2 → H2O (l) ∆H0 = -285,8 kJ N2O5 (k) + H2O (l) → 2HNO3 (l) ∆H0 = -76,6 kJ ½ N2 (k) + 3/2 O2 + ½ H2 → HNO3 (l) ∆H0 = -174,1 kJ Hãy tính ∆H0 phản ứng: 2N2 (k) + 5O2 (k) → 2N2O5 (k) ∆H0 = 28,4 kJ 100 Bài Quy trình Oswald dùng để điều chế HNO3 từ NH3 công nghiệp bao gồm bước sau: 4NH3 (k) + 5O2 (k) → NO (k) + 6H2O (k) 2NO (k) + O2 (k) → NO2 (k) 3NO2 (k) + H2O (l) → HNO3 (dd) + NO (k) a) Hãy tính ∆H0 cho trình dựa vào giá trò ∆H0f hợp chất (tra sổ tay hóa học) b) Viết phản ứng tổng quát trình điều chế Quá trình tổng quát toả nhiệt hay thu nhiệt? a ∆H01 = -908kJ ; ∆H02 = -112 kJ ; ∆H03 = -140 kJ ; b tỏa nhiệt 101 Bài Xét trình biến đổi sau: a) H2O (k) → H2O (l) b) H2 (k) + Cl2 (k) → 2HCl (k) c) 2H2 (k) + O2 (k) → 2H2O (k) d) Xe (k) + F2 (k) → XeF2 (r) e) NiCl2.6H2O (r) → NiCl2 (r) + 6H2O (k) f) CO2 (r) → CO2 (k) Ở điều kiện áp suất không đổi, trình nàocó tác động công từ hệ đến môi trường ngoài? Quá trình nhận công từ môi ttrường ngoài? Quá trình thực công? 102 Bài Dự đoán dấu ∆S0 phản ứng sau: a) CaCO3 (r) → CaO (r) + CO2 (k) b) 2SO2 (k) + O2 (k) → 2SO2 (k) 103 Bài Ở nhiệt độ trình sau tự diễn 1atm: Br2 (l) →Br2 (k) Biết trình có 0 ∆H = 31,0 kJ/mol ∆S = 93,0 J/mol.độ 104 Bài 10 Cho số liệu sau 25 oC, atm: C (kim cương) + O2 (k) → CO2 (k) ∆G0 = -397 kJ C (than chì) + O2 (k) → CO2 (k) ∆G0 = -394 kJ Hãy tính ∆G0 trình C (kim cương) → C (than chì) Từ cho biết than chì hay kim cương dạng thù hình bền Cacbon? 105 Bài 11 Phản ứng sau tự xảy điều kiện chuẩn 25oC, 1atm: a) 2CH3OH (l) + H2O (l) → C2H5OH (l) b) O2 (k) + H2(k) → H2O (l) c) CO (k) + 2H2 (k) → CH3OH (l) d) NO (k) + O3 (k) → NO2 (k) + O2 (k) 106 Bài 12 Tính ∆S0 ; ∆H0; ∆G0 cho phản ứng sau CaCO3 (r) → CaO (r) + CO2 (k) Phản ứng tự diễn nhiệt độ nào? 107 108 [...]... kJ H2O(g) → H2O(l)DH = -88 kJ 28 Phương pháp đo nhiệt lượng Nhiệt lượng kế 29 Nhiệt lượng kế đẳng áp ∆H = qP qpư = -qdung dòch = - (nhiệt dung của dung dòch) × (số gam dung dòch) × ∆T 30 Nhiệt lượng kế đẳng tích Bomb Calorimetry qpư = -Cnhiệt lượng kếT 31 TÍNH TOÁN HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 32 ĐỊNH LUẬT HESS • “Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của... khi ∆n ≠ 0 thì ∆H ≠ ∆U 25 Enthalpy ∆H = Hcuối - Hđầu = qP 26 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt Thu nhiệt: : hấp thu nhiệt từ môi trường Vd: quá trình bay hơi của chất lỏng Toả Nhiệt: tỏa nhiệt ra môi trường Vd: Hoà tan H2SO4 trong nước Phản ứng cháy cacbon 27 Entanpi của phản ứng hóa học CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) ∆H = -802 kJ 2CH4(g) + 4O2(g) → 2CO2(g) + 4H2O(g)... bao gồm năng lượng chuyển động tònh tiến , chuyển động quay của các phân tử , chuyển động quay và chuyển động giao động của các nguyên tử và nhóm nguyên tử bên trong phân tử và tinh thể, chuyển động của electron trong nguyên tử , năng lượng bên trong hạt nhân 11 Năng lượng của hệ: bao gồm tổng của Động năng, Thế năng, và Nội năng của hệ Đối với các phản ứng hóa học, sự biến đổi động năng và thế năng của... đáng kể do đó ta chỉ quan tâm đến Nội năng 12 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC • Nếu trong quá trình nào đó mà có một dạng năng lượng đã mất đi thì thay cho nó phải có một dạng năng lượng khác xuất hiện với lượng tương đương nghiêm ngặt • (đònh luật bảo toàn năng lượng) 13 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Mối liên hệ giữa Nhiệt và Công Năng lượng không tự sinh ra và không tự mất đi Năng lượng... suất (P) đặt trên hệ 19 20 ENTHALPY • Khi cung cấp cho hệ một lượng nhiệt q thì trong trường hợp tổng quát nhiệt năng này sẽ được dùng để làm tăng nội năng ( phần nội năng tăng thêm ký hiệu là ∆U) và để thực hiện công w chống lại các lực bên ngoài tác dụng vào hệ • Đònh luật thứ nhất của nhiệt động học có thể biểu diễn bằng biểu thức toán học sau : q = ∆U - w = ( U2 – U1) – w • • Trong đó , công w đối... ra và không tự mất đi Năng lượng của (hệ thống + môi trường) là một hằng số Khi một hệ bò biến đổi (vật lý hay hóa học) , nội năng của hệ thay đổi tùy thuộc vào lượng nhiệt và công hệ trao đổi với môi trường : ∆U = q + w 14 Qui ước về dấu q: + khi hệ thu nhiệt từ môi trường ngoài, – khi hệ tỏa nhiệt ra môi trường ngoài w: + khi hệ bò môi trường ngoài tác dụng lên công w, – khi hệ tác dụng công w lên môi... được cung cấp nhiệt , U 2 là nội năng của hệ sau khi đã được cung cấp 21 ENTHALPY • Gọi H1 là enthalpy của trạng thái ban đầu của hệ , H2 là enthalpycủa trạng thái cuối cùng của hệ thì chúng ta thu được công thức • qp = H2 – H1 = ∆H • Như vậy ∆H là hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học trong điều kiện áp suất không đổi ( điều kiện đẳng áp) 22 ENTHALPY • Nếu trong quá trình hệ thu nhiệt của môi trường... (khí) ∆H2 = - 283,0 kJ Ta có ∆H = ∆H1 + ∆H2 34 HỆ QUẢ CỦA ĐỊNH LUẬT HESS • Hệ quả 1: • Nhiệt phân hủy của 1 hợp chất có giá trò tuyệt đối đúng bằng nhiệt hình thành của hợp chất đó nhưng ngược dấu • Ví dụ: • H2 (khí) + O2 (khí) = H2O (lỏng) có ∆H = -268 KJ • Vây nhiệt hình thành của H2O là ∆H0f = - 268 KJ/mol • Nhiệt phân hủy của H2O (lỏng) thành H2 (khí) + O2 (khí) là +268 KJ/mol 35 ∆H1 = ∆H2 + ∆H3... của môi trường thì Enthalpy của hệ tăng lên tức là H2 > H1  ∆H = H2 – H1 > 0 • Nếu trong quá trình hệ tỏa nhiệt ra mội trường thì Enthalpy của hệ giảm xuống tức là H2 < H1  ∆H = H2 – H1 < 0 • Ví dụ: • C + O2 = CO2 ∆H = -396 kJ  phản ứng tỏa nhiệt • 2 HCl = H2 + Cl2 ∆H = +184 kJ  phản ứng thu nhiệt 23 MỐI QUAN HỆ GIỮA ENTANPI VÀ NỘI NĂNG • Đối với những qúa trình chỉ có chất rắn và lỏng tham gia thì... thì đại lượng ∆V có giá trò không đáng kể , do đó khi những quá trình này được thực hiện ở áp suất thấp thì : • ∆H ≈ ∆U • Công thức trên cho thấy nhiệt truyền cho chất rắn và lỏng chủ yếu chuyển thành nội năng mà không sinh công, tức là chủ yếu làm tăng nhiệt độ của hệ 24 MỐI QUAN HỆ GIỮA ENTANPI VÀ NỘI NĂNG • Đối với những quá trình có chất phản ứng hay sản phẩm phản ứng ở thể khí thì ∆H và ∆U có ... chuẩn nhiệt độ 37 Phương trình nhiệt hóa học: • Một phương trình nhiệt hóa học phải bao gồm:  Phương trình phản ứng hóa học  Trạng thái hóa chất ( rắn, lỏng, khí,…)  Điều kiện thí nghiệm ( nhiệt. .. Hđầu = qP 26 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Quá trình thu nhiệt tỏa nhiệt Thu nhiệt: : hấp thu nhiệt từ môi trường Vd: trình bay chất lỏng Toả Nhiệt: tỏa nhiệt môi trường Vd: Hoà tan H2SO4... CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC Nghiên cứu quy luật biến chuyển tương hỗ hóa dạng lượng khác trình hóa học Nghiên cứu điều kiện tự diễn biến (phản ứng hóa học) điều kiện bền vững (trạng thái cân bằng) hệ hóa