3. CD Hóa học Nguyễn Hồng Thư

PHẦN MỞ ĐẦU Hóa học mơn khoa học tự nhiên, đòi hỏi học sinh cần phải tư sáng tạo Song song với thực nghiệm giúp học sinh kiểm chứng lí thuyết, tạo niềm tin khoa hoc, tập hóa học có tác dụng rèn luyện kỹ vận dụng, đào sâu mở rộng kiến thức học cách sinh động, phong phú Thông qua tập, học sinh ôn tập, rèn luyện số kỹ cần thiết hóa học, rèn luyện tính tích cực, tự lực, trí thơng minh sáng tạo, giúp học sinh hứng thú học tập Qua tập hóa học, giáo viên kiểm tra, đánh giá việc nắm vững kiến thức kỹ Hóa học học sinh Trong công tác bồi dưỡng học sinh khá, giỏi trường Chuyên dự thi học sinh giỏi cấp Tỉnh cấp Quốc gia, nhu cầu cấp thiết cần có hệ thống lí thuyết, câu hỏi tập cho tất chuyên đề : cấu tạo chất, nhiệt hoá học, động hoá học, cân hoá học, Trong đề thi chọn học sinh giỏi cấp Quốc Gia thi Olimpic Hóa học quốc tế, tập phần nhiệt học thiếu cấu trúc đề thi Xuất phát từ thực tế đó, tơi sưu tầm tập hợp lại số lí thuyết, câu hỏi tập theo chuyên đề “Nhiệt động lực hóa học” với hi vọng tài liệu hữu ích cho giáo viên em học sinh u thích mơn Hóa học MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Xây dựng hệ thống lí thuyết, câu hỏi tập phần “Nhiệt động lực hóa học” dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học bậc THPT giúp học trò học tốt chuẩn bị tốt cho kỳ thi học sinh giỏi Hóa học lý thuyết – tập – phương pháp giải, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy học tập mơn Hóa học PHẦN LÍ THUYẾT A MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN Hệ a Hệ vĩ mô: hệ gồm số lớn tiểu phân (hàng mol chất ) Khi hệ vĩ mơ đối tượng nghiên cứu tất vật khác, cịn lại kể khơng khí bao quanh mơi trường bên ngồi Nhiệt động lực học nghiên cứu hệ vĩ mơ b Hệ lập, hệ đóng hệ mở - Hệ cô lập: không trao đổi chất lượng với mơi trường xung quanh Ví dụ: phản ứng tiến hành hệ kín, đoạn nhiệt - Hệ đóng: khơng trao đổi chất trao đổi lượng với mơi trường xung quanh Ví dụ: phản ứng tiến hành bình kín, nhiệt phản ứng trao đổi với mơi trường thơng qua thành bình - Hệ mở: hệ trao đổi chất lượng với môi trường xung quanh Ví dụ: đốt cháy chất khơng khí c Hệ đồng thể hệ dị thể; đồng không đồng - Hệ đồng thể: thuộc tính hệ khơng thay đổi thay đổi liên tục từ điểm đến điểm kia, hồn tồn khơng có bề mặt phân chia hệ Ví dụ 1: dung dịch hệ đồng thể, điểm dung dịch có thuộc tính giống Ví dụ 2: khơng khí hệ đồng thể mà thuộc tính hệ thay đổi liên tục từ lên - Bề mặt phân chia: bề mặt vật lý mà qua có thay đổi đột biến thuộc tinh vĩ mô hệ Hệ có chứa bề mặt phân chia gọi hệ dị thể Thuộc tính trạng thái hệ a Thuộc tính khuếch độ: thuộc tính tỷ lệ thuận với với lượng chất có hệ VD: thể tích, trọng lượng, lượng, entropi có tính chất cộng tính mol HCl + mol HCl = mol HCl b Thuộc tính cường độ: khơng phụ thuộc vào lượng chất có hệ VD: nhiệt độ, áp suất, tỷ khối, nồng độ, thể tích riêng, thể tích mol Ví dụ: trộn V lít dung dịch HCl 1,0M với V’ lít dung dịch HCl 1,0M => dung dịch HCl 1,0M => Thuộc tính cường độ khơng có tính chất cộng tính c Tham số trạng thái: đại lượng dùng để mơ tả trạng thái hệ Ví dụ: Trong bình kín dung tích 10,0 lít, 250C áp suất atm => Các thông số: V, T, P gọi tham số trạng thái d Trạng thái dừng: trạng thái mà thuộc tính hệ khơng thay đổi theo thời gian Nếu thông số nội hệ như: dịng nhiệt, dịng chất khơng biến đổi Người ta gọi hệ trạng thái cân hóa học Nhiệt động lực học nghiên cứu chủ yếu thuộc tính hệ cân Một hệ cô lập, không tương tác với bên ngoài, chưa vào trạng thái cân theo thời gian tự tới trạng thái cân nhiệt động không tự khỏi trạng thái Q trình a Quá trình nhiệt động: biến đổi xảy hệ có liên quan đến biến thiên dù tham số trạng thái hệ b Q trình đóng (hay chu trình): q trình mà hệ từ trạng thái đầu, sau loại biến đổi trở trạng thái đầu => Quá trình mở: trạng thái đầu trạng thái cuối khác c Quá trình thuận nghịch nhiệt động khơng thuận nghịch nhiệt động Q trình từ trạng thái → thuận nghịch thực ngược lại trình từ → mà không gây biến đổi môi trường Nếu khơng => q trình bất thuận nghịch => Q trình thuận nghịch khơng gây ma sát Trên thực tế, người ta tiến hành trình thuận nghịch nhiệt động cách tác động đến hệ cách chậm mặt vật lý để ma sát nhỏ d Một số dạng trình nhiệt động thường gặp: - Đẳng nhiệt: trình diễn nhiệt độ không đổi T = const - Đoạn nhiệt: Không trao đổi nhiệt với môi trường (δQ = 0) - Đẳng tích: thể tích khơng đổi V = const - Đẳng áp: áp suất không đổi P = const Hàm trạng thái: Một đại lượng nhiệt động hàm trạng thái hệ biến thiên đại lượng phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối hệ, không phụ thuộc vào cách tiến hành q trình đặc biệt khơng phụ thuộc vào việc trình thực thuận nghịch hay bất thuận nghịch => Trong chu trình: biến thiên đại lượng nhiệt động = Chú ý: nhiệt công trao đổi hàm trạng thái phụ thuộc vào trạng thái đầu cuối hệ đồng thời phụ thuộc vào cách tiến hành trình Chúng đặc trưng cho trình khơng phải thuộc tính hệ Áp suất nhiệt độ a Áp suất: đặc trưng cho lực tương tác hệ với môi trường bên ngồi Nó đo lực tác dụng thẳng lên đơn vị bề mặt hệ Đơn vị đo áp suất thường dùng N/m2 Một số đơn vị khác: bar = 105 N/m2 torr = mmHg = 133,3N/m2 atm = 760 mmHg = 1,013.105 N/m2 = 1,013 bar b Nhiệt độ: độ đo cường độ chuyển động nhiệt phân tử chứa vật, xác định chiều truyền nhiệt Thực nghiệm cho biết: vật có nhiệt độ khác tiếp xúc với nhau, nhiệt truyền từ vật nóng sang vật lạnh nhiệt độ hai vật Sự san nhiệt độ dẫn hệ tới trạng thái cân nhiệt Một cân nhiệt động bao hàm cân nhiệt Mối liên hệ nhiệt độ Kenvin (K) thang nhiệt độ bách phân (C): t 0(C) + 273,15 = T (K) Năng lượng: a Khái niệm: Năng lượng độ đo vận động vật chất biến đổi nó, từ dạng sang dạng khác Năng lượng khơng tự sinh ra, khơng tự Nó ln có thay đổi kèm theo chuyển hóa vật chất b Nội năng: toàn lượng tích trữ hệ c Đơn vị lượng: (J) cal = 4,18 J = 0,0413 atm.lit = 41,3 cm3 atm J = 0,239 cal = 9,869 cm3.atm Nhiệt cơng Có hai cách khác chuyển lượng từ vật sang vật khác a Nhiệt (Q): Nếu chuyển có liên quan đến tăng cường chuyển động phân tử hệ nhận lượng chuyển thực dạng nhiệt b Cơng (A): Nếu chuyển lượng có liên quan đến chuyển khối lượng vĩ mô tác dụng lực đó, chuyển thực dạng cơng VD: nâng vật, chuyển điện Chú ý: nhiệt công có đơn vị (thứ nguyên) lượng, dạng lượng hệ mà hình thái chuyển lượng, tức đặc trưng cho q trình Cơng giãn nở: δA = -p.dV Công (A) thường bao gồm hai thành phần: Cơng chống lại giãn nở thể tích: δA = -p.dV Cơng có ích: δA’ (có thể chuyển hóa thành điện năng-công điện) => δA = -p.dV + δA’ Đối với phản ứng hóa học thơng thường: cơng có ích δA’ = c Nhiệt dung (C): Là nhiệt lượng cần thiết để làm nóng hệ thêm 10 Chính xác hơn: Nhiệt dung hệ trình tỷ số nhiệt lượng kèm theo trình độ biến thiên tương ứng với nhiệt độ Trong trường hợp này: giả thiết khơng có phản ứng hóa học, khơng có biến đổi pha khơng có thay đổi thành phần hệ Ctb = Q/∆T Q: tính dương hệ nhận nhiệt âm hệ toả nhiệt Nếu ∆T → dT; Q → δQ => C = δQ/ dT => δQ = C dT Cv = δQv/dT Nếu thực trình điều kiện đẳng tích: Nếu thực q trình điều kiện đẳng áp: Cp = δQp/dT Thơng thường: Cp > CV điều kiện áp suất khơng đổi, nhiệt dung dùng khơng để làm nóng hệ mà cịn dùng cho cơng dãn nở thể tích Chất rắn, chất lỏng: cơng giãn nở nhỏ Cp sấp sỉ Cv Chất khí, cơng giản nở lớn: Cp >>Cv Phương trình trạng thái: Trường hợp : hệ có trao đổi chất lượng với mơi trường bên ngồi Đối với chất khí lý tưởng: PV = nRT PV Hằng số khí R = nT 1atm.22,4 lít PV R = nT = 1mol.273,15K = 0,082 atm.lít.K-1.mol-1 1, 013.105 N/m 22,4.10-3m3 PV 1mol.273,15 K R = nT = = 8,314 J.K-1.mol-1 Trường hợp 2: hệ khơng có trao đổi chất lượng với mơi trường bên ngồi Hệ đoạn nhiệt TVγ - = const (γ = Cp/CV) PV Thay T = nR => PVγ/nR = const => PVγ = const B NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I NỘI DUNG Năng lượng không tự sinh khơng tự đi, chuyển hố từ dạng sang dạng khác => Năng lượng hệ lập ln ln bảo tồn Q trình đóng q trình mở: a Q trình đóng (chu trình): (1) → (2) sau (2) → (1) Giả sử thực trình sau: Theo nhiệt động lực học, chu trình, biến thiên đại lượng nhiệt động = Nghĩa là: Nếu nhận nhiệt (Q > 0) sinh cơng (A < 0) cho bên ngồi Nếu nhận cơng (A > 0) tỏa nhiệt (Q < 0) cho bên ngồi Khi đó: Q + A = b Q trình mở Giả sử thực trình từ (1) → (2) thông qua đường sau : Cách thứ nhất: Cách thứ hai: Cách thứ ba: (1) → (a) → (2) (1) → (b) → (2) (1) → (c) → (2) Qa Aa Qb Ab Qc Ac Vì q trình có trạng thái đầu trạng thái cuối, đó, lượng trao đổi hệ với môi trường cách Nghĩa là: Qa + Aa = Qb + Ab = Qc + Ac = const Do đó, đại lượng A + Q hàm trạng thái Vì phụ thuộc vào trạng thái đầu (1) trạng thái cuối (2) Nội năng: (U) a Khái niệm Xét hệ cô lập: Nội hệ tất dạng lượng chứa hệ bao gồm : động phân tử, lượng dao động, lượng quay, lượng liên kết hóa học, lượng hạt nhân trừ động toàn hệ hệ trọng trường Ví dụ : Xét bình kín (cách nhiệt): tồn dạng lượng bình nội Khơng tính đến bình kín động thay đổi vị trí bình mơi trường ngồi Nội hệ phụ thuộc vào trạng thái hệ (được xác định thông số ni, T, P) Nội hàm trạng thái Khi chuyển từ trạng thái (thường trạng thái đầu) sang trạng thái thứ (trạng thái cuối), biến thiên nội hệ là: ∆U = U2 - U1 b Mối quan hệ ∆U nhiệt (Q), công (A) q trình Cơng (A) hình thái vật lý vĩ mơ, có trật tự, có định hướng chuyển lượng từ hệ thực công đến hệ mà cơng tác dụng vào Nhiệt (Q) hình thái vật lý vi mơ, khơng có trật tự trao đổi lượng hệ, thực qua chuyển động hỗn loạn (chuyển động nhiệt) tiểu phân Nhiệt (Q) cơng (A) có thứ ngun (đơn vị) lượng dạng lượng hệ mà hình thái chuyển lượng, tức đặc trưng cho trình Khi thực trình, biến thiên nội hệ (∆U) chuyển hình thái nhiệt (Q) cơng (A) Do : ∆U = Q + A dU = δQ + δA Dạng vi phân : (Vì nhiệt cơng khơng mang tính liên tục nên có phần định δ) Nhiệt (Q) hiệu ứng nhiệt q trình Ta có : dU = δQ + δA = δQ - pdV + δA' hay δQ = dU + pdV - δA' a) Công có ích δA' = Khi đó: δQ = dU + pdV Trong q trình đẳng tích: dV = Khi : δQV = dU => Lấy tích phân : Qv = ∆Uv Nghĩa : toàn nhiệt mà hệ hấp thụ trình làm tăng nội hệ Trong trình đẳng áp: p = const Khi : δQp = dU + pdV = d(U + pV) Đặt : H = U + pV Do : δQp = dU + pdV = d(U + pV) = dHp Lấy tích phân : Qp = ∆Hp H gọi entanpi Đây hàm trạng thái có thuộc tính khuếch độ Do đó, tồn nhiệt mà hệ hấp thụ q trình làm tăng entanpi hệ b) Có cơng có ích δA' ≠ δQ = dU + pdV - δA' => δA' + δQ = dU + pdV δQ: nhiệt trình δA' + δQ: hiệu ứng nhiệt q trình.(nghĩa tồn lượng hệ quy thành nhiệt) Trong trình đẳng tích: δA' + δQv = dU A' + Qv = ∆U ∆U: gọi hiệu ứng nhiệt q trìnhđẳng tích Qv : gọi nhiệt đẳng tích (làm nóng lạnh hệ) Trong q trình đẳng áp: δA' + δQp = dU + pdV = dH A' + Qp = ∆Hp ∆H: gọi hiệu ứng nhiệt trình đẳng áp Qp : gọi nhiệt đẳng áp Nhiệt hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học a Hệ thực cơng giãn nở thể tích nghĩa khơng có phản ứng hóa học xảy => A' = Khi : δQ = dU + pdV b Đối với hệ mà có phản ứng diễn vấn đề có khác: - Về ngun tắc: có phản ứng hóa học phải có lượng hóa học tương ứng Do phải có cơng A' có liên quan đến phản ứng hóa học, gọi cơng hóa học (A' = A' hố ) Nó dùng vào việc bên ngồi Ví dụ chuyển thành điện nguyên tố (pin) Ganvani Nếu tạo điều kiện để cơng thực hiến đến mức tối đa có (cơng cực đại), điều xảy phản ứng tiến hành cách thuận nghịch nhiệt động Khi đó: δQ = dU + pdV - δA' Trường hợp đẳng tích : dV = δQv = dU - δA'v => dU = δQv + δA'v Nếu tiến hành điều kiện không thuận nghịch nhiệt động đến mức δA'v = => dU = δQv Nghĩa toàn nhiệt mà hệ nhận trình đẳng tích dùng để tăng nội hệ => ∆Uv = (Qv)ktn 10 ... ứng hóa học a Hệ thực công giãn nở thể tích nghĩa khơng có phản ứng hóa học xảy => A' = Khi : δQ = dU + pdV b Đối với hệ mà có phản ứng diễn vấn đề có khác: - Về nguyên tắc: có phản ứng hóa học. .. khác: - Về nguyên tắc: có phản ứng hóa học phải có lượng hóa học tương ứng Do phải có cơng A' có liên quan đến phản ứng hóa học, gọi cơng hóa học (A' = A' hố ) Nó dùng vào việc bên ngồi Ví dụ chuyển... (A) thư? ??ng bao gồm hai thành phần: Công chống lại giãn nở thể tích: δA = -p.dV Cơng có ích: δA’ (có thể chuyển hóa thành điện năng-cơng điện) => δA = -p.dV + δA’ Đối với phản ứng hóa học thơng thư? ??ng: