Công thức hóa học hay

HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC I Nguyên lý nhiệt động học: Q=∆U + A hay ∆𝑈 = 𝑄 − 𝐴 a) Quy ước dấu công nhiệt: - Hệ thu nhiệt: Q > ; Hệ phát nhiệt: Q < - Hệ nhận công: A < ; Hệ sinh công ( thực công): A> 𝟎 b) Nội năng: ∆𝑈 = 𝑄 − 𝐴 - Quá trình vòng ( chu trình): ∆𝑈 = - Quá trình mở: ∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡  Nội U hàm trạng thái, biến đổi nội ∆U phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối hệ, không phụ thuộc vào cách tiến hành trình - Hệ cô lập: ∆𝑈 = 𝑈2 − 𝑈1 = ⇔ 𝑈2 = 𝑈1 : Nội hệ cô lập luôn bảo toàn c) Công A: A   PdV Một số trình thường gặp: - Quá trình đẳng tích: 𝑉 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑛ê𝑛 𝐴 = - Quá trình đẳng áp: P=const nên A= P (V2 – V1)= P ∆𝑉 Trong trường hợp: - Nếu hệ ngưng tụ: ∆V=0, A=0 - QT xảy hệ khí lý tưởng T=const : T = const từ PV=nRT A=P∆V=∆nRT - QT đẳng nhiệt xảy hệ khí lý tưởng: T=const, P1V1=P2V2 V2 A   PdV  V1 V2 nRT V2 P1 dV  nRT ln  nRT ln V V1 P2 V1  - Quá trình đun nóng hay làm lạnh đẳng áp n mol khí lý tưởng: A=P∆V=∆nRT II Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp: a) Nội nhiệt đẳng tích: - Ở điều kiện đẳng tích (V=const, ∆V=0): QV = ∆U + P∆V = ∆U → Ở điều kiện đẳng tích, nhiệt cung cấp cho hệ dùng để tăng nội hệ → Qv hiệu ứng nhiệt đẳng tích b) Entanpi nhiệt đẳng áp: - Ở điều kiện đẳng áp (p=const) HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Qp = U + PV = (U2-U1) + P(V2-V1) = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Đặt H=U+PV, enthalpy, hàm số trạng thái, kJ/mol hay kcal/mol Qp = H2- H1 = H H = U + P V Hiệu ứng nhiệt điều kiện đẳng áp biến đổi enthalpy, hay gọi tắt Hiệu ứng nhiệt - Biến thiên entanpi phản ứng tổng entanpi sản phẩm trừ tổng entanpi tác chất (có lưu ý hệ số hợp thức phương trình phản ứng) Nó hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học ΔH = Hsp - Htc = Qp d) Quan hệ ∆U ∆H: - Trong phản ứng có chất lỏng chất rắn tham gia phản ứng xảy trạng thái dung dịch ∆V có giá trị không đáng kể  Do đó, trình thực áp suất thấp (áp suất khí quyển) P∆V ≈ nên ∆H ≈ ∆U - Trong phản ứng có tham gia pha khí, giả sử khí lý tưởng: PV = nRT ∆ P∆V =∆n.RT (Điều kiện đẳng nhiệt , đẳng áp) Nên: ∆H = ∆U +∆n.RT Với: ∆n = ∑n khí (sản phẩm) -∑n khí (chất khí) Nếu n=0, nhiệt đẳng áp = nhiệt đẳng tích e) Hiệu ứng nhiệt: -Phản ứng tỏa nhiệt phản ứng nhường lượng cho môi trường dạng n hiệt (∆U < hay ∆H < 0) - Phản ứng thu nhiệt phản ứng nhận lượng môi trường dạng nhiệt (∆U > hay ∆H > 0) III Nhiệt tạo thành ( sinh nhiệt) : - Nhiệt tạo thành: hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất trạng thái tự bền vững Ở điều kiện tiêu chuẩn (25°C,1atm) gọi Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn - Enthalpy tiêu chuẩn, H0298tt, enthalpy đo 25oC, 1atm (H0298tt hay H0298 f) - Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn đơn chất bền Ví dụ: Cl2 khí, Br2 lỏng, I2 rắn, C graphit, S tà phương ,P đỏ ) - Nhiệt tạo thành chất có giá trị âm bền IV Nhiệt đốt cháy: - Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn chất (H0298 đc hay H0298 b ) HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất oxy vừa đủ để tạo thành chất bền vững điều kiện tiêu chuẩn (250C, atm) - Đối với chất hữu cơ, nhiệt đốt cháy hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất hữu oxy vừa đủ tạo thành khí CO2, nước (lỏng) số sản phẩm khác ( N2 , X2, HX ) V Định luật Hess hệ quả: a) Định luật: Hiệu ứng nhiệt trình hóa học phụ thuộc vào chất trạng thái chất tham gia phản ứng sản phẩm cuối không phụ thuộc vào đường trình (Nghĩa hiệu ứng nhiệt không phụ thuộc vào số đặc điểm giai đoạn trung gian) H = H1 + H2 = H3 + H4 + H5 b) Hệ quả: Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào Nhiệt tạo thành: - Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt tạo thành sản phẩm trừ tổng nhiệt tạo thành chất ban đầu VD: Xét phản ứng: aA + bB = cC + dD H1 H2 H3 H4 (nhiệt tạo thành) Hpu = cH3 + dH4 – (aH1 + bH2) Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào Nhiệt đốt cháy: - Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt đốt cháy chất đầu trừ tổng nhiệt đốt cháy sản phẩm VD: Xét phản ứng đốt cháy: aA + bB = cC + dD H1 H2 H3 H4 (nhiệt đốt cháy) Hpu = aH1 + bH2 –(cH3 + dH4) VI Entropi  Nếu trình TN : S = QTN/T  Nếu trình bất TN: S > QBTN/T, (T nhiệt độ có xảy trao đổi nhiệt) HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Tổng quát:  Entropy hàm trạng thái: S = S2 – S1 = SC – SĐ  Đơn vị tính S: j/(mol×độ), cal/(mol×độ)  Nếu hệ cô lập: Q = => ΔS ≥  Nghĩa hệ cô lập:  Quá trình thuận nghịch, ΔS =  Quá trình bất thuận nghịch: ΔS >  Trong hệ cô lập, trình tự xảy trình kèm theo tăng entropy * Các tính chất Entropy:  Hệ phức tạp, phân tử phức tạp, entropy lớn  Ví dụ : S0298(O) < S0298(O2) < S0298(O3) S0298(NO) < S0298(NO2)  Đối với chất, trạng thái rắn, lỏng, khí, entropy có giá trị khác tăng dần lên  Ví dụ: S nước đá, nước lỏng, nước là: 41,31; 63,31; 185,60 j/(mol×độ) S(rắn) < S(lỏng) < S(khí)  Nhiệt độ áp suất có ảnh hưởng lớn đến entropy: nhiệt độ tăng làm tăng entropy, áp suất tăng làm giảm entropy (do thay đổi độ hỗn loạn) S  QV U  T T * Xác định độ biến đổi entropy trình hóa học  Với phản ứng hóa học:  V>0   S>0 S Nếu Go âm KP lớn, tức phản ứng xảy hoàn toàn, lúc cân nồng độ sản phẩm lớn - Nếu Go > KP < Nếu Go lớn KP nhỏ, nồng độ sản phẩn Từ hệ thức ta thấy mối liên hệ KP nhiệt độ Go = Ho - TSo Go = - RTlnKP Ta có : - RTlnKP = Ho - TSo  o S o ln K P    RT R lnKP hàm bậc K P1 K P2 T Ở nhiệt độ T1 T2, ta có tương ứng , với H o  1  ln K P1  ln K P2      R  T1 T2  11 HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Hay K1 H o  1  ln     K2 R  T1 T2  Với hệ thức tính KP nhiệt độ biết số KP nhiệt độ khác Và biết K P1 K P2 T1 T2 ta tính Ho phản ứng * Đối với phản ứng xảy dung dịch: [C]c [D]d ΔG = ΔG + RTln a b [A] [B] Khi phản ứng đạt cân ta có: 𝛥𝐺 𝑙𝑛𝐾𝑐 = − 𝑅𝑇 ΔG0 = − RTln [C]c [D]d [A]a [B]b = -RTlnKc Hay: Lưu ý: công thức liên hệ Go số Kc áp dụng n = (không có biến thiên số mol khí) phản ứng xảy dung dịch IV Dựa vào số cân để dự đoán chiều diễn tiến phản ứng Chỉ số phản ứng (Q) aA + bB  cC + dD Đặt Q = [C]c [D]d [A]a [B]b [A], [B], [C], [D] nồng độ chất thời điểm Đối với phản ứng pha khí thay nồng độ áp suất riêng phần • Có thể xem số phản ứng Q thước đo trình phản ứng G = Go + RTlnQ = RTlnK + RTlnQ Hay G = RTln 12 Q K cb HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Các phản ứng thuận nghịch có xu đạt trạng thái cân bằng, đó: • Khi Q < Kcb  Q/Kcb <  G < phản ứng thuận chiếm ưu đến hệ đạt cân • Khi Q > Kcb  Q/Kcb >  G > phản ứng nghịch chiếm ưu đến hệ đạt cân • Khi Q = Kcb  G = hệ đạt trạng thái cân V Sự chuyển dịch cân Nguyên lý Le Chatelier: “Với hệ trạng thái cân bằng, ta thay đổi yếu tố xác định điều kiện cân (áp suất, nồng độ, nhiệt độ) cân chuyển dịch theo chiều chống lại thay đổi đó” VI Ảnh hưởng nồng độ Khi thêm lượng tác chất sản phẩm vào hệ cân số phản ứng Q thay đổi khác Kcb, hệ không cân G = RTln Q K cb Từ biểu thức ta thấy: - Nếu thêm sản phẩm vào hệ Q > K  ΔG >  phản ứng nghịch chiếm ưu cân chuyển dịch phía tạo thành tác chất hệ đạt đến trạng thái cân trở lại - Và ngược lại thêm tác chất Q < K  ΔG <  phản ứng thuận chiếm ưu cân chuyển dịch phía chiều thuận tạo thành sản phẩm hệ đạt đến trạng thái cân trở lại Như vậy, “Khi thêm lượng tác chất sản phẩm vào hệ cân bằng, cân chuyển dịch theo hướng tiêu thụ bớt chất thêm đó” VII Ảnh hưởng áp suất Sự thay đổi áp suất không ảnh hưởng nhiều nồng độ chất rắn chất lỏng, có ý nghĩa chất khí 13 HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Xét phản ứng thuận nghịch chất khí: 2A(k) + B(k) ↔ C(k) + 3D(k) vt = kt [A]2[[B] = kn [C][[D]3 Nếu sau phản ứng đạt cân bằng, tăng áp suất hệ lên hai lần, cách giảm thể tích hệ xuống lần cân thay đổi nào? Để trả lời câu hỏi đặt cần phải xét tốc độ phản ứng thuận nghịch Áp suất nồng độ có mối liên hệ với qua phương trình trạng thái khí lý tưởng : PV = nRT hay 𝑃= 𝑛 𝑉 𝑅𝑇 𝐶 = 𝑛 𝑉 Ở nhiệt độ xác định, tăng áp suất hệ lên hai lần cách giảm thể tích hệ lần nồng độ chất có hệ tăng lần Do đó: v’t = kt 4[A]2.2[[B] = kt [A]2[[B] = 8vt v’n = kn 2[C].8[[D]3 = 16kn [C][[D]3 = 16vn Như vậy, tăng áp suất hệ lên hai lần tốc độ phản ứng nghịch tăng lên gấp lần phản ứng thuận cân dịch chuyển theo chiều nghịch chiều có số phân tử khí Vậy tăng áp suất, cân dịch chuyển phía làm giảm số phân tử khí Tóm lại: - Đối với hệ có khác số mol khí hai vế phương trình hóa học Khi tăng áp suất hệ hệ cân bằng, cân chuyển dịch theo chiều giảm số phân tử khí ngược lại Đối với hệ khác số mol khí hai vế - phương trình hóa học việc tăng hay giảm áp suất không ảnh hưởng đến chuyển dịch cân VIII Ảnh hưởng nhiệt độ Quan hệ entanpi số cân biểu thị qua công thức: 14 HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 ln K P    o S o  RT R Từ biểu thức ta nhận thấy: - Khi ∆H > (phản ứng thu nhiệt – nhiệt hấp thụ phản ứng xảy theo chiều thuận), nhiệt độ tăng, số K tăng Có nghĩa cân dịch chuyển theo chiều thuận (chiều hấp thụ nhiệt) - Với ∆H < (phản ứng toả nhiệt – nhiệt tỏa môi trường phản ứng xảy theo chiều thuận), nhiệt độ tăng K giảm Có nghĩa cân dịch chuyển theo chiều nghịch (chiều hấp thụ nhiệt) Tóm lại: Khi nhiệt độ hệ cân tăng, cân chuyển dịch theo chiều hấp thu nhiệt Khi nhiệt độ hệ giảm, cân chuyển dịch theo chiều tỏa nhiệt” NHỮNG CÔNG THỨC CÓ TRONG BẢNG PHỤ LỤC ĐỀ THI (2) 6) Đối với phản ứng bậc 𝑘 = 𝑡 (𝐶𝑜 − 𝐶) 7) Đối với phản ứng bậc 1: 𝑡 𝐶 𝐶 𝑘 = (𝑙𝑛 𝑜) 8) Đối với phản ứng bậc có nồng độ ban đầu tác chất nhau: 1 𝑘= ( − ) 𝑡 𝐶 𝐶𝑜 9) Qui tắc thực nghiệm Vant’ Hoff 𝑇2−𝑇1 𝑣2 𝑘 𝑇2 = = 𝛾 10 𝑣1 𝑘 𝑇1 10)Phương trình Arrhenius: 𝑙𝑛𝑘 = −𝐸𝑎∗ + 𝑙𝑛𝐴 𝑅𝑇 11) KP = KC (RT)n = KX (P)Δn BÀI TẬP MINH HỌA Ví dụ 1: Ở 375 C, xét phản ứng thuận nghịch sau: -4 N (k) + 3H (k) ⇄ 2NH (k) , K = 4,3.10 2 p Nồng độ ban đầu N (k) H (k) =1, mol/L Xác định nồng độ 2 chất trạng thái cân ? Bài làm: 15 HÓA ĐẠI CƯƠNG A1 Ví dụ 2: Ở 472oC, hỗn hợp cân phản ứng có 0.1207M H2, 0.0402M N2 0.0272M NH3 Tính số cân Kc Kp N (k) + 3H (k) ⇌ 2NH (k) 2 Bài giải: K = [NH ] /([N ].[H ] ) C 2 Để tính K , sử dụng biểu thức: K = K (RT) P p Hết 16 C n