Bài giảng chương 4 nhiệt động hóa học

 Nhiệt động học: Môn khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng, đặc biệt những quy luật liên quan tới sự biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác  M

Nhiệt động hóa học

I Giới thiệu

II Các khái niệm cơ bản

III Nguyên lý 1 của nhiệt động học

IV Áp dụng nguyên lý 1 của nhiệt động

học vào phản ứng hóa học

V Nhiệt dung

Slide 2 of 48

 Nhiệt động học: Môn khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao

đổi năng lượng, đặc biệt những quy luật liên quan tới sự biến đổi nhiệt

năng thành các dạng năng lượng khác

 Môn khoa học ứng dụng nhiệt động học vào hoá học là nhiệt động hoá

học.

Nhiệt động học cho phép tính được:

+ Năng lượng trao đổi trong phản ứng;

+ Tiên đoán chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các phản ứng hóa học;

+ Xác định được hiệu suất của phản ứng;

+ Điều kiện cân bằng và các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến cân bằng.

Slide 3 of 48

Nhiệt động hóa học là gì?:

I GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC

Slide 4 of 48

phần còn lại của thế giới là môi

trường.

2.2 Phân loại; 4 loại chính:

Dòng năng lượng trao đổi

II KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

Hở Kín Cô Lập

Dòng vật chất trao đổi

Slide 5 of 48

Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi chất và nhiệt

nhưng có thể trao đổi công với MT ngoài.

V2

V1

2.3 Trạng thái của hệ và thông số ( tham số) trạng

thái

Có 2 loại thông số trạng thái

+ Thông số cường độ: Không phụ thuộc vào lượng chất : như

nhiệt độ, tỉ khối, áp suất…

+ Thông số dung độ: là những thông số phụ thuộc vào lượng

chất: khối lượng, số mol, thể tích…

Slide 6 of 48

 Trạng thái của hệ được xác định thông qua tập hợp các tính

chất lý, hoá của hệ

Thông số trạng thái: Trạng thái của hệ được xác định bằng các

thông số (tham số) là: nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nồng độ C…

Phương trình trạng thái mô tả tương quan giữa các thông số

trạng thái

2.4 QUÁ TRÌNH

 Quá trình: Mọi sự biến đổi trạng thái thể hiện ở sự thay đổi

ít nhất một trong các thông số trạng thái.

 - Quá trình được gọi là thuận nghịch nếu được xem

như là dãy của các trạng thái cân bằng.

 Khi chuyển sang trạng thái cân bằng kế tiếp các thông

số trạng thái chỉ thay đổi đi một lượng vô cùng nhỏ, và cũng chỉ khác thông số trạng thái của môi trường một lượng vô cùng nhỏ Đây là quá trình lý tưởng.

 - Ngược lại là quá trình bất thuận nghịch Các quá trình

tự xảy ra là bất thuận nghịch.

 Quá trình không thuận nghịch là quá trình mà sau đó

hệ và môi trường không thể quay trở lại trạng thái

ban đầu

 Quá trình biến đổi mà

hệ trải qua liên tiếp nhiều

trạng thái không cân

p

Quá trình bất thuận nghịch:

Slide 9 of 48

VO

nếu như có thể biến đổi

theo chiều ngược lại từ

N→M đi qua đúng mọi

trạng thái trung gian như

chiều thuận

•Là quá trình biến đổi trải

qua liên tiếp các trạng thái

cân bằng

Quá trình thuận nghịch:

2.5 Hàm trạng thái

gọi là hàm trạng thái nếu giá trị của

nó chỉ phụ thuộc vào các thông số

trạng thái của hệ mà không phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ.

(Ví dụ: Nhiệt độ T, áp suất P, Thể tích

V, Nội năng U, entanpi H, entropi S, thế đẳng áp G…là những hàm trạng thái)

Slide 10 of 48

1 Nội Năng

Năng lượng toàn phần của hệ gồm:

 - Động năng chuyển động và thế năng của hệ đối với

trường bên ngoài.

 - Năng lượng bên trong, bao gồm động năng và

năng lượng tương tác của phân tử, nguyên tử,

ion, năng lượng bên trong hạt nhân được gọi là nội năng.

 Như vậy

- Nội năng là hàm trạng thái dung độ.

- Chỉ có thể xác định được biến thiên nội năng U = U 2

NỘI NĂNG (U)

U = Et nh ti n ịnh tiến ến +Equay+Edao đ ngộng +Ehút,đ y ẩy + Enhân-e

2 Phát biểu nguyên lý I của nhiệt động học.

tổng các dạng năng lượng hệ trao đổi với môi trường.

QP được gọi là nhiệt đẳng áp.

Ở đây H=U + PV (H được gọi là entanpy )

1.Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học.

 Xét phản ứng: aA + bB → cC + dD ± Q

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

 Lượng nhiệt hệ trao đổi với môi trường khi các chất phản ứng theo tỷ lệ hợp thức ở nhiệt độ T

khi hệ không sinh công có ích được gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng.

Đối với qt đẳng tích QV = ΔU

Đối với qt đẳng áp Qp = H

Vậy :QP = QV + ΔnRT

Trong đó: n =  nSP -  nCĐ

Trong quá trình chất khí ta cĩ:

ΔH = ΔU + ΔnRTn là biến thiên số mol chất khí.

VD: n của phản ứng tạo nước lỏng khác n của phản ứng tạo hơi nước

2 Định luật Hess và những hệ quả đl Hess

thuộc vào trạng thái đầu và cuối của các chất tham gia

và các chất tạo thành chứ khơng phụ thuộc vào các

giai đoạn trung gian.

Hệ quả 1:Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận nhưng ngược dấu.VD: Biết CaO(r) + CO2(k) = CaCO3(r) cĩ H0

298 = 178kJ/mol

Vậy phản ứng CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k) cĩ

H0

298 = 178kJ/mol

Một số hệ quả

Slide 19 of 48

Hệ quả 2 :Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt sinh

Nhiệt sinh hay nhiệt tạo thành một chất là nhiệt lượng thoát ra hay thu

vào khi tạo thành 1 mol của chất đó từ các đơn chất bền

Nhiệt sinh đo ở điều kiện tiêu chuẩn được gọi là nhiệt sinh chuẩn hay

entanpy tạo thành chuẩn H298,s0

.

VD: Nhiệt sinh của CO2(k) là H.ư.n của phản ứng

C(gr) + O2(k) = CO2(k)

* Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các

chất cuối trừ đi tổng nhiệt sinh cuả các chất đầu

Slide 20 of 48

Hệ quả 3 :Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào Nhiệt cháy

Nhiệt cháy của một chất là nhiệt lượng thoát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1

mol của chất đó thành các oxit cao nhất bền

Nhiệt cháy đo ở điều kiện tiêu chuẩn được gọi là nhiệt cháy chuẩn H298,c0

VD: Nhiệt cháy của C(gr) là H.ư.n của phản ứng

C(gr) + O2(k) = CO2(k)

chứ không phải là nhiệt của C(gr) + 0,5O2(k) = CO(k)

* Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt cháy của các chất

tham gia `trừ đi tổng nhiệt cháy cuả các chất sản phẩm

VD: Tìm H0

298 của phản ứng 3C2H2(k) = C6H6(l)

Ta có Hc(C2H2) = -1305, Hc(C6H6) = -3295 kJ/molGiải:H0

298 = 3(-1305) + 3295 = -620 kJ/mol

Slide 21 of 48

Hệ quả 4 Tính toán hiệu ứng nhiệt của phản ứng thực tế không đo được

VD: Cần xác định H1 của C(gr) +0.5O2(k) =CO(k) (1)

Slide 23 of 48

V Nhiệt dung

1 Nhiệt dung mol đẳng áp và nhiệt dung mol đẳng tích

Nhiệt dung mol đẳng tích: Nhiệt lượng cần để nâng 1 mol chất lên 1K

ở điều kiện thể tích không đổi và không có sự chuyển pha

Nhiệt dung mol đẳng áp: Nhiệt lượng cần để nâng 1 mol chất lên

1K ở điều kiện áp suất không đổi và không có sự chuyển pha

 

( ) 2

H C

Slide 25 of 48

2 Nhiệt biến đổi trạng thái

Ví Dụ: Tính nhiệt lượng 2 mol nước hấp thụ từ 298K đến 400K ở điều kiện áp suất không đổi (1atm)

H a T

H e T

H d T

Slide 27 of 48

 Áp dụng:

Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng ở nhiệt độ T2 biết hiệu ứng nhiệt ở

nhiệt độ T1 và nhiệt dung mol của các chất

VD: Tính H 0

1100 của phản ứng CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k)biết:

H298,s0 (kJ/mol) Cp(J/mol.K) CaCO3 -1207 105 + 21,9.10 -3 T - 25,9.10 5 T -2

Nếu trong khoảng nhiệt độ nhỏ Cp được coi là không đổi thì

Slide 29 of 48

4 Năng lượng liên kết và nhiệt của phản ứng hoá học.

a Năng lượng liên kết.

Slide 31 of 48