Chuyên đề HDC_Nhiệt động lực học của các quá trình Hóa học

1 CHƯƠNG IV NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 2 IV.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN về nhiệt động lực học ⇒ khoa học về sự chuyển biến tương hỗ của các dạng năng lượng (NL) khác nhau; nghiên cứu những quy luật NL (lý thuyết năng lượng) về các quá trình chuyển động của vật chất. Cơ sở của nhiệt động lực học là 3 nguyên lý I, II, III trong đó nguyên lý I, II là hai nguyên lý quan trọng  Nhiệt động lực học (NĐLH) - Nhiệt động học:  Nguyên lý II: “Nhiệt không thể chuyển từ vật thể nguội hơn sang vật thể nóng hơn” Một trong những tính chất khơng thể tách rời của vật chất là sự chuyển động và thước đo sự chuyển động của các chất là năng lượng  Nguyên lý I: “Nếu trong quá trình nào đó mà có một dạng NL đã mất đi thì thay cho nó phải có một dạng NL khác xuất hiện với lượng tương đương nghiêm ngặt”. 3 Việc áp dụng nhiệt động l c học vào hóa học làm xuất hiện ự một lónh vực khoa học độc lập là nhiệt động hóa học Nhiệt động hóa học được xây dựng dựa trên các định luật của nhiệt động học, nghiên cứu sự bi n i năng lượng (NL)ế đổ trong các phản ứng hóa học và các q trình chuyển pha (hòa tan, bay hơi,…) bao gồm nhiệt hóa học, lí thuyết về các dung dịch,… Nhiệt hóa học mà cơ sở lí thuyết là ngun lí I của nhiệt động học, là lĩnh vực hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các q trình hóa học. ⇒ Dựa trên hiệu ứng nhiệt có thể xác định:  NL liên kết (giúp hiểu được cấu tạo và khả năng tương tác của các chất).  Chiều diễn ra của các quá trình hóa học (ở đkiện bình thường).  Tính tốn cân bằng nhiệt cho các q trình kỹ thuật. 4  Hệ là tập hợp các vật thể xác đònh trong không gian nào đó và phần còn lại xung quanh là môi trường  /v Đ hóa h c, h là lượng nhất đònh của một hay nhiều ọ ệ chất ở điều kiện nhiệt độ, áp suất, nồng độ nào đó *Hệ kín: là hệ chỉ có sự trao đổi NLvới môi trường bên ngoài *Hệ hở: là hệ có sự trao đổi chất và NL với môi trường bên ngoài * Hệ cô lập: là hệ không có sự trao đổi chất hoặc NL với môi trường bên ngoài. * Hệ đoạn nhiệt: hệ khơng trao đổi chất và nhiệt, nhưng có thể trao đổi cơng với mơi trường. Hệ cơ lập bao giờ cũng đoạn nhiệt.  Các loại hệ: 1. Hệ và môi trường: 5 VD: dung dòch muối ăn trong nước chứa trong cốc thủy tinh (thông thường) không đậy nắp – hệ hở; chứa trong cốc thủy tinh đậy nắp – hệ kín; nếu chứa trong cốc đậy kín làm bằng vật liệu cách nhiệt là hệ cô lập hệ hở hệ kín hệ cô lập  VL cách nhiệt 6  Hệ đồng thể: hệ có các tính chất lý hóa giống nhau ở mọi điểm của hệ (nghóa là không có bề mặt phân chia hệ thành những phần có tính chất hóa lý khác nhau)  Hệ dò thể: trong hệ có bề mặt phân chia VD: Nếu hệ hóa học muối ăn trong nước là dung dịch trong suốt - hệ đồng thể và nếu trong hệ, ngồi dung dịch muối ăn còn chứa các tinh thể muối ăn - hệ dị thể.  Pha: phần đồng thể của hệ dò thể, có thành phần cấu tạo, tính chất nhất đònh và được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia nào đó.  H đồng thể - h m t pha, h d th - h nhi u phaệ ệ ộ ệ ị ể ệ ề VD: Hệ gồm nước đá và nước lỏng là hệ dị thể, gồm nước đá (pha rắn) và nước lỏng (pha lỏng)  Hệ cân bằng: hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian 7 2. Trạng thái nhiệt động của hệ, thông số trạng thái, hàm trạng thái: Trạng thái – TT (vó mô) của hệ được xác đònh bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất lý hóa của hệ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần, năng lượng, … Đây là các thông số TT, chúng liên hệ với nhau bằng các phương trình TT, được chia thành 2 loại: • Thông số dung độ: là những thông số tỷ lệ với lượng chất như thể tích, khối lượng, số mol, …  Với hệ lý tưởng có cộng tính, nghiã là dung độ của cả hệ thống bằng dung độ các hợp phần. •Thông số cường độ: là những thông số không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ, áp suất, thành phần, khối lượng riêng, … Trạng thái cân bằng là TT tương ứng với hệ CB (khi các thơng số TT giống nhau ở mọi điểm của hệ và khơng thay đổi theo thời gian). 8 3. Hàm trạng thái, phương trình trạng thái của khí lý tưởng:  Hàm trạng thái: là đại lượng nhiệt động có giá trò  chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ;  không phụ thuộc vào đường đi của hệ (cách biến đổi của hệ)  Phương trình trạng thái của khí lý tưởng: PV = nRT  P (áp suất),  V (thể tích),  T(nhiệt độ),  U (n i n ng), ộ ă  H (entanpi),  S (entropi),  G (thế đẳng áp),….  là những hàm trạng thái. 9 4. Quá trình – hàm quá trình: a. Quá trình: là s biến đổi x y ra trong h g n li n v i s ự ả ệ ắ ề ớ ự thay i c a (ít nh t) đổ ủ ấ là m t ộ thơng s trạng thái.ố Quá trình xảy ra ở đk:  P = const (đẳng áp);  T = const (đẳng nhiệt);  V = const (đẳng tích);  Q = 0 (đoạn nhiệt). + Quá trình thuận nghòch + Quá trình bất thuận nghòch + Quá trình cân bằng + Quá trình tự diễn biến + Quá trình không tự diễn biến b. Hàm quá trình: hàm số phụ thuộc vào con đường tiến hành. VD: nhiệt, cơng,… 10 ⇒ Nhiệt và công chính là 2 hình thức trao đổi NL đó của hệ và môi trường 5. Năng lượng, nhiệt và công: Bất kỳ quá trình nào xảy ra cũng luôn có kèm theo sự trao đổi NL của hệ với môi trường bên ngoài  Nhiệt (NL truyền dưới dạng nhiệt), được thực hiện khi hệ tiếp xúc nhiệt với môi trường ⇒ sự CB nhiệt độ. Nhiệt là dạng truyền NL vô hướng, không có trật tự, được thực hiện qua chuyển động nhiệt hỗn loạn.  Công (NL truy n d i d ng ề ướ ạ công), c th c hi n khi h đượ ự ệ ệ ti p ế xúc cơ học với môi trường.  Công là dạng truyền NL có hướng, có trật tự, được truyền từ hệ thực hiện công đến hệ nhận công. [...]... giảm) entanpi của hệ hoặc  độ biến đổi nội năng ∆U (hiệu ứng nhiệt đẳng tích) ⇒ Sự tăng (hay giảm) nội năng của hệ đúng bằng nhiệt lượng hệ thu vào (hay phát ra) 24 IV 2.3 Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học: Nhiệt lượng tỏa ra hay hấp thụ của một phản ứng hóa học được gọi là hiệu ứng nhiệt phản ứng  Đ/v những q trình hóa học, hiệu ứng nhiệt thường được xác định bằng ∆H vì các pứ hóa học thường... = - 94,1 kcal/ mol 29 2 Đònh luật Hess (Gess): Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghóa là không phụ thuộc vào số và đặc điểm của các giai đoạn trung gian VD: pứ chuyển chất X thành chất Y được thực hiện theo 3 cách: • Qua 1 giai đoạn : X → Y • Qua 2 giai đoạn : X → A → Y... định đ/v mỗi trạng thái của hệ Sự biến thiên NL chỉ phụ thuộc vào TT đầu , TT cuối của hệ chứ khơng phụ thuộc vào cách tiến hành ⇒ NL là hàm TT của hệ 11 ⇒ Có thể định nghĩa:  NL là thước đo sự chuyển động của các chất  Nhiệt là thước đo sự chuyển động nhiệt hỗn loạn của các tiểu phân tạo nên hệ  Cơng là thước đo sự chuyển động có trật tự, có hướng của các tiểu phân trong trường lực  Qui ước:   ... cơng A” 14 NL toàn phần E của hệ bao gồm:  động năng của tồn hệ Eđ  thế năng của tồn hệ Et  nội năng U của hệ E = Eđ + Et + U Nếu hệ khơng chuyển động, tương tác của mơi trường đ/v hệ nhỏ và khơng đổi thì: E = 0, E = 0  E = U b Nội năng U đ t ⇒ Nội năng của hệ chỉ bao gồm động năng của các tiểu phân và thế năng tương tác giữa các tiểu phân trong hệ  Nội năng là: • tính chất của hệ, U (kcal/ mol;... hưởng lên thế năng của các hạt 16 c Công A: là một hình thái truyền năng lượng gắn liền với sự thay đổi thể tích của hệ Đơn vò: kcal/ mol, kJ/ mol Cơng A là cơng mà hệ thực hiện được trong q trình hệ chuyển từ TT 1 → TT 2 để chống lại các lực từ bên ngồi tác dụng lên hệ như: áp suất, điện trường, từ trường, sức căng bề mặt,… Đ/v các q trình hóa học cơng A chủ yếu là cơng dãn nở (cơng cơ học) chống lại... x (322,1 -298) = 600J  Độ chênh lệch 400J giữa lượng nhiệt Qp hệ nhận và độ biến đổi ∆U của hệ chính là lượng cơng A hệ thực hiện được trong q trình 23 dãn nở khí Ar c Nội năng, entanpi và hiệu ứng nhiệt:  Đònh nghóa: lượng nhiệt tỏa ra hay thu vào của một quá trình hóa học được gọi là hiệu ứng nhiệt của quá trình ∆H < 0: phản ứng tỏa nhiệt ∆H > 0: phản ứng thu nhiệt  Hiệu ứng nhiệt được xác định... cơ học thì sự truyền NL được thực hiện dưới dạng cơng VD: cơng nâng 1 vật lên cao, cơng giãn nở chất khí chống áp suất bên ngồi  Nếu sự truyền NL có liên quan đến việc tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở vật nhận NL thì sự truyền NL được thực hiện dưới dạng nhiệt  Nhiệt và cơng gắn liền với các q trình: chúng phụ thuộc vào cách tiến hành ⇒ nhiệt & cơng là các hàm q trình  NL là thuộc tính của. ..  Q trình đẳng tích: vì V = const ⇒ A = 0  Q trình đẳng áp: vì P = const ⇒ A = P (V2 – V1) = P∆V ⇒ n mol khí lí tưởng: A = P∆V = nR ∆T  Q trình đẳng nhiệt (đ/v hệ khí lí tưởng): V V P1 PdV = nRTln2 = nRTln  vì T= const và P1V1 = P2V2 ⇒ A = V 17 1 P2 V ∫ 2 1 IV.2.2 Các q trình đẳng tích, đẳng áp và nội năng, entanpi, hiệu ứng nhiệt: Áp dụng ngun lý 1 xét các q trình đẳng tích, đẳng áp: a Q trình. .. oxit cao nhất) 27 IV.2.4 Phương trình nhiệt hóa học bao gồm: + Trạng thái của các chất: rắn (r), lỏng (l), khí (k), dung dịch (d), graphit (gr) + Điều kiện pứ: P, t0 (tại đó xác định giá trị entanpi) + Nhiệt lượng trao đổi: • dấu - với pứ phát nhiệt (entanpi giảm), có khả năng tự xảy ra • dấu + với pứ thu nhiệt (entanpi tăng), khơng thể tự xảy ra + Hệ số của phương trình Để thuận tiện cho việc tính... to = 25oC (298K), khối lượng các chất bằng 1 đơn vò VD: Zn (r) + 2HCl (d) = ZnCl2 (d) + H2 (k) , ∆H0298 = - 36,5 kcal/mol 28 IV.2.5 CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT HÓA HỌC VÀ HỆ QUẢ: 1 Đònh luật Lavoisier – Laplace: Lượng nhiệt được hấp thụ khi một chất phân hủy thành các nguyên tố bằng lượng nhiệt phát ra khi tạo thành hợp chất đó từ các nguyên tố  Nhiệt tạo thành và nhiệt phân hủy của một hợp chất bằng nhau về . CHƯƠNG IV NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 2 IV.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN về nhiệt động lực học ⇒ khoa học về sự chuyển biến tương hỗ của các dạng. dụng nhiệt động l c học vào hóa học làm xuất hiện ự một lónh vực khoa học độc lập là nhiệt động hóa học Nhiệt động hóa học được xây dựng dựa trên các định