Hóa vô cơ chương 3

Chương 3Bài giảng HÓA ĐẠI CƯƠNG 3 -TRẠNG THÁI nhiệt động: Trạng thái của hệ được xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất lý hóa của hệ như thể tích, khối lượng, số

Trang 1

Chương 3

Bài giảng HÓA

ĐẠI CƯƠNG

1

CHƯƠNG 3 NHIỆT ĐỘNG LỰC

HỌC CỦA CÁC QUÁ

TRÌNH HÓA HỌC

Trang 2

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

2

3.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CẦN THIẾT

•- HỆ (nhiệt động): Hệ là tập hợp

các vật thể xác định trong không gian nào đó và phần còn lại xung quanh là môi trường

•Đối với hóa học, hệ là lượng nhất

định của một hay nhiều chất ở điều kiện nhiệt độ, nồng độ và áp suất nào đó.

•Các loại hệ: hệ hở, hệ kín, hệ cô

lập, hệ đồng thể, hệ dị thể, pha, hệ cân bằng

Trang 3

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

3

-TRẠNG THÁI (nhiệt động): Trạng thái

của hệ được xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất

lý hóa của hệ như thể tích, khối lượng, số mol, nhiệt độ, áp suất, thành phần, năng lượng … (thông

số trạng thái: gồm Thông số dung độ; Thông số cường độ)

Trạng thái cân bằng: là trạng thái

tương ứng với hệ cân bằng

-QUÁ TRÌNH (nhiệt động): Quá trình:

đẳng áp, đẳng nhiệt, đẳng tích, thuận nghịch và bất thuận nghịch

Trang 4

Chương 3

a Nội dung nguyên lý 1: Khi

cung cấp cho hệ 1 lượng nhiệt là Q thì lượng nhiệt này được dùng để tăng nội năng U của hệ và để thực hiện

1 công A chống lại các lực bên ngoài tác dụng lên hệ :

Q = ∆U + A

Trang 5

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

5

b Nội năng U:

- Năng lượng toàn phần E của hệ

bao gồm động năng của toàn hệ

(Eđ ), thế năng của toàn hệ (Et), nội

năng (U) của hệ: E = Eđ + Et + U

Nếu hệ không chuyển động (Eđ = 0), tương tác của môi trường đối với

hệ nhỏ và không đổi (Et = 0) thì E = U

Như vậy:

- Nội năng của hệ là năng

lượng sẵn có bên trong hệ

Trang 6

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

6

- Nội năng là tính chất, là đại lượng năng lượng xác định trạng thái của hệ, là thông số dung độ

(tỉ lệ với lượng chất)

- Độ biến đổi nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2:

∆U = U 2 − U 1

- Nội năng có giá trị không phụ thuộc vào cách biến đổi hệ (không phụ thuộc vào đường đi của quá trình)

Trang 7

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

7

c Công A: là công chống lại các

lực bên ngoài khi hệ chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2

- Lực bên ngoài tác dụng lên hệ: áp suất, điện trường, từ trường, sức căng bề mặt …

- Đối với các quá trình hóa học công A chủ yếu là công dãn nở chống lại áp suất:

v v

1 Pdv (v2 1) = p v

Trang 8

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

8

3.2.2 Các quá trình đẳng tích,

đẳng áp và nội năng, entanpi,

hiệu ứng nhiệt:

Áp dụng nguyên lý I xét các quá trình đẳng tích, đẳng áp:

a- Quá trình đẳng tích, nội

năng, nhiệt đẳng tích:

Vì V = const → dV = 0 →

A = 0 → QV = ∆U (QV: nhiệt đẳng

tích)

Quá trình đẳng tích: nhiệt năng

thu vào dùng để tăng nội năng

U của hệ.

Trang 9

Chương 3

= ∆H

QP: nhiệt đẳng áp;

H: entanpi;

∆H: độ biến đổi entanpi

Vậy: Trong quá trình đẳng áp, nhiệt năng thu vào dùng để tăng entanpi H của hệ.

Trang 10

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

10

Entanpi là tính chất, đại lượng năng lượng xác định trạng thái

của hệ, là thông số dung độ,

không phụ thuộc vào đường đi

của quá trình

Trang 11

Chương 3

Lượng nhiệt này chính là hiệu ứng nhiệt của các quá trình

Vậy hiệu ứng nhiệt được xác định bằng độ biến đổi nội năng

(∆U), độ biến đổi entanpi (∆H)

Trang 12

Chương 3

đó là hiệu ứng nhiệt của phản

ứng hóa học xác định bằng ∆H vì các phản ứng hóa học thường xảy ra ở áp suất không đổi

Trang 13

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

13

Liên hệ giữa ∆H và ∆U:

• Phản ứng chỉ có chất lỏng và

rắn tham gia:

Trang 14

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

14

- Hiệu ứng nhiệt:

Là đại lượng dung độ,

Không phụ thuộc vào đường đi của phản ứng,

Trong khoảng nhiệt độ không quá lớn có thể xem không thay đổi theo nhiệt độ

- Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn:

điều kiện áp suất 1 atm, nhiệt độ 25oC và đối với 1mol chất; ký hiệu:

∆Ho

298 hay ∆Ho

Trang 15

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

15

- Các đại lượng nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy:

• Nhiệt tạo thành là hiệu ứng

nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ở trạng thái tự

cháy 1 mol chất đó bằng oxi tạo

thành các oxit cao bền ở điều kiện

phản ứng

Trang 16

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

16

• Nhiệt đốt cháy (chất hữu cơ) là hiệu

ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất hữu cơ bằng oxi để tạo

thành khí CO2, nước lỏng và 1 số sản phẩm khác

Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn ký hiệu: ∆Ho

298

3.2.4 Phương trình nhiệt hóa học:

-Là phương trình phản ứng hóa học có ghi kèm theo hiệu ứng nhiệt:

Dấu − : phản ứng phát nhiệt (giảm entanpi),

Dấu + : ứng thu nhiệt (tăng entanpi )

Trang 17

Chương 3

C(gr)+H2O(k) = CO(k)+H2(k), ∆Ho

298 =+31,4 kcal/mol

- Điều kiện xảy ra phản ứng dựa trên hiệu ứng nhiệt:

Ở nhiệt độ thường phản ứng phát nhiệt có khả năng tự xảy ra, còn phản ứng thu nhiệt thì không

Trang 18

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

18

3.2.5 Các định luật nhiệt hóa

học và hệ quả:

* Định luật Hess (Gees):

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng

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, nghĩa là không phụ

thuộc vào số, đặc điểm của

các giai đoạn trung gian

Trang 19

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

19

Ví dụ: phản ứng 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

• Qua 3 giai đoạn: X → B → C → Y

Theo định luật Gess ta có:

∆H = ∆H1 + ∆H2 = ∆H3 + ∆H4 +

∆H5

Trang 20

Chương 3

Trang 21

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

21

* Hệ quả:

• Hệ quả I: Hiệu ứng nhiệt của

phản ứng bằng tổng nhiệt tạo

thành của các sản phẩm phản ứng

trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các

chất đầu

• Hệ quả II: Hiệu ứng nhiệt

của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt

cháy của các chất đầu trừ đi tổng

nhiệt đốt cháy của các sản phẩm

phản ứng

Trang 22

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

22

Ví dụ : Đối với phản ứng tổng quát

aA + bB = cC + dD ∆H = ∑∆Httsp − ∑∆Httcđ

= [c∆HttC + d∆HttD] − [a∆HttA + b∆HttB] ∆H = ∑∆Hđccđ− ∑∆Hđcsp

Trang 23

Chương 3

C(gr) + ½ O2(k) = CO(k), biết:

C(gr) + O2(k) = CO2(k), ∆Ho

1 = 94,1 kcal và CO(k) + ½O2(k) = CO2(k), ∆Ho

o 298

o ) 1

H = ∆Η + ∆

∆

kcal46

,2674

,671

,94H

Ho298= ∆Η(o1) − ∆ (o2) = − + = −

∆

Trang 24

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

24

o 298

∆Η

) gr

(

C

) k ( CO

CO2(k)

o 1

288,5 94,1

151,9

H H

Ho298 o298ttCaO o298ttCO o298ttCaCO

3 2

= +

−

=

− +

Δ

Trang 25

Chương 3

ΔΗ

ΔH o298 o298dcA o298dcR o298dcE

= +

−

=

− +

=

* Tính ở điều kiện khác

chuẩn:

• Tính gần đúng:

Trang 26

Chương 3

Ví dụ: Tính ∆H 398 của phản ứng:

Trang 27

Chương 3

Trang 28

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

28

3.3 NGUYÊN LÝ II VÀ ENTROPI (S)

3.3.1 Khái niệm về entropi:

Khi hệ chuyển từ trạng thái nhiệt

độ cao T1 sang trạng thái nhiệt độ

thấp T2 sẽ xuất hiện đại lượng nhiệt

động mới là entropi S.

∆S = S2 − S1 ≥ Q/T(= : khi quá trình thuận nghịch ; > : khi

quá trình bất thuận nghịch)

Trang 29

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

29

-Các đặc điểm của entropi:

• Là tính chất của hệ như to,

p, U, H …, là đại lượng xác định trạng thái của hệ, là đại lượng dung độ, không phụ thuộc vào đường đi của quá trình

• Bản thân S phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, nhưng ∆S lại ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Trang 30

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

30

Entropi tiêu chuẩn S: điều kiện

25oC, 1 atm, khí lý tưởng, dung dịch

nồng độ 1 đơn vị (1 mol/lit)

hệ cô lập:

trong hệ cô lập quá trình tự xảy ra

có ∆S > 0

Trang 31

Chương 3

Đối với 1 mol: S = RlnW

k: hằng số Boltzmann;

W : xác suất trạng thái của hệ;

R: hằng số khí, R=1,987 cal/mol.độ

hay 8,31 j/mol.độ.

Trang 32

Chương 3

12,4 cal/mol.độ

Trang 33

Chương 3

Đây là quá trình đẳng nhiệt,

đẳng áp nên:

∆S = Sl − Sr = Rln(Wl/Wr) = ∆Hcp/T

= 1436,3/273 = 5,26 cal/mol.độ

- Entropi của nước lỏng ở 0oC:

Snl = Snd + ∆S = 12,4 + 5,26 = 17,66

cal/mol.độ

Trang 34

Chương 3

Trang 35

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

35

Ví dụ : Tính ∆S của quá trình đốt

nóng 1 mol nước lỏng từ 0oC lên 25oC

và tính S của 1 mol nước lỏng ở

nhiệt độ này, biết nhiệt nóng chảy

của nước đá là 1436,3 cal/mol, Snước đá

ở 0oC là 12,4 đve

19,24 đve

Trang 36

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

36

* Quá trình phản ứng hóa học:

• Định tính: dựa vào sự biến đổi thể

Trang 37

Chương 3

- Ở 1500 o K: ∆ S1500 = 2 × 59.50 − (8,0+69,80) = 41,20 đve

Trang 38

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

38

3.4 THẾ ĐẲNG ÁP VÀ CHIỀU XẢY RA CỦA

CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

3.4.1 Khái niệm về thế đẳng áp:

Ở nhiệt độ và áp suất không đổi, dựa vào các nguyên lý I và II rút ra:

G = H − T.S

G gọi là thế đẳng áp đẳng nhiệt hay đơn giản thế đẳng áp (năng lượng

tự do Gibbs).

Trang 39

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

39

- Các đặc điểm của thế đẳng áp:

• Là tính chất của hệ như U, H …,

là đại lượng năng lượng xác định

trạng thái của hệ, là đại lượng dung

độ, không phụ thuộc vào đường đi

của hệ

• G và ∆G phụ thuộc vào áp suất

và nhiệt độ

• Để xét chiều xảy ra của quá

trình dựa vào ∆G Trong quá trình

đẳng nhiệt đẳng áp:

∆G = ∆H − T.∆S (t, p = const)

Trang 40

Chương 3

• Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn: (chất tinh khiết)

∆Go của một chất (tinh khiết) là ∆G của pư tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất tự do bền vững ở áp suất 1 atm, nhiệt độ 298oK và được ký hiệu ∆Go

298tt

∆Go của các đơn chất bền quy ước bằng 0

Trang 41

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

41

3.4.2 Độ biến đổi thế đẳng áp và điều kiện xảy ra của các quá trình hóa học:

là công có ích cực đại hệ thực hiện được trong quá trình thuận nghịch

G

A'max= −∆

- Từ đây suy ra:

• Quá trình (tự) xảy ra khi , khi

Trang 42

Chương 3

∆S < 0: khi T càng cao thì -T.∆S càng dương, quá trình càng ít có khả năng xảy ra

Ở điều kiện này ∆S chiếm ưu thế nên có thể dựa vào nó xét

chiều quá trình

• Ở nhiệt độ không cao, không thấp: dựa vào cả ∆H, ∆S để xét chiều xảy ra

Trang 43

Chương 3

Ngoài ra, có: ∆G = ∑ ∆Gttsp − ∑

∆Gttcđ

Ví dụ : Tính ∆Go ở 298 và 1000oK của pư:

o 298

∆Η ∆ So298

o

tt 298

(kj/mol) 0 228,6 - 137,3 - 0

Trang 44

Chương 3

o CO 298

o

∆

Trang 45

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

45

3.5 CÂN BẰNG HÓA HỌC

3.5.1 Khái niệm về cân bằng hóa học:

* Khái niệm về phản ứng 1 chiều và 2 chiều:

Trang 46

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

46

* Trạng thái cân bằng hóa học:

- Định nghĩa: Trạng thái cân

bằng hóa học là trạng thái của

phản ứng hóa học có vt = vn và tỉ

lệ lượng chất giữa các chất phản

ứng với sản phẩm phản ứng

không thay đổi ở những điều kiện

bên ngoài nhất định

Trang 47

Chương 3

• Cân bằng hóa học là cân bằng động

• Tương ứng độ thay đổi thế đẳng áp

∆G = 0

• Không thay đổi nếu những điều kiện bên ngoài quyết định trạng thái cb không thay đổi

• Không phụ thuộc vào chiều đi đến

cb nếu điều kiện bên ngoài quyết định trạng thái cb như nhau

Trang 48

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

48

3.5.2 Hằng số cân bằng và

mức độ diễn ra của phản ứng

[ ] [ ] [ ] [ ]

c d t

Trang 49

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

49

k t , k n : hằng số tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch; [ ] :

nồng độ cân bằng

K C : hằng số cân bằng biểu diễn qua nồng độ

Các chất A, B, C, D là những chất khí ta có:

P P

=

P: áp suất riêng phần lúc cân

bằng của các chất A, B, C, D.

Trang 50

Chương 3

Trang 51

Chương 3

P K

P

=

2 3 2

( )

O

SO SO

P

Trang 52

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

52

• K không có đơn vị

-Ý nghĩa của hằng số cân bằng:

• K là hằng số với T =const, K chỉ

phụ thuộc nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ và áp suất

• K cho biết mức độ xảy ra của phản

ứng về định tính (nông, sâu) và định lượng (hiệu suất)

• Dựa vào K có thể tính toán các đại

lượng liên quan với trạng thái cân bằng: nồng độ, lượng các chất tham gia vào cân bằng, hiệu suất phản ứng

Trang 53

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

53

Ví dụ : Cho phản ứng:

FeO(r) + CO(k) ⇔ Fe(r) + CO2(k)

1- Tính nồng độ CO, CO2 lúc cân bằng

ở 1000 oC, biết hằng số cân bằng KC = 0,5 và nồng độ ban đầu của CO là 0,06 mol/lit

2- Sau khi cân bằng phản ứng trên được thiết lập (ở điều kiện đã cho) thêm vào lượng CO:1 mol/lit Tính nồng độ CO, CO2lúc cân bằng mới được thiết lập

3- Tính hiệu suất tổng cộng của phản ứng

Giải: Hằng số cân bằng

2

[ ]

0,5[ ]

C

CO K

CO

Trang 54

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

54

1- Gọi x là nồng độ CO2 lúc cân bằng thì nồng độ các chất lúc cân bằng sẽ là: [CO2] = x mol/lit và [CO] = (0,06 − x) mol/lit Từ đây:

0,02

0,5 0,35 /1,04

Trang 55

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

55

Vậy: [CO]’= 1,04 − 0,35 = 0,69 mol/l và

[CO2]’ = 0,02 + 0,35 = 0,37 mol/l 3- Hiệu suất tổng cộng:

3.5.3 Hằng số cân bằng và thế

%100

x06,

01

37,

G

∆

Trang 56

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

56

p: áp suất riêng phần các khí ở điều

kiện bất kỳ Lưu ý:

• Trong biểu thức ∆G: chính xác là KP, còn

chỉ áp dụng được KC khi KC = KP (tức là khi ∆n = 0) hoặc khi phản ứng diễn ra trong dung dịch Tuy nhiên cũng

có thể áp dụng cách gần đúng KC cho những trường hợp khác

• Từ trên: khi biết chiều xảy ra của phản ứng cũng có thể biết mức độ diễn ra

của nó Ví dụ :

o

tt 298

∆Η Cho phản ứng: 2NO 2 (gr) ⇔ N 2 O 4 (k)

S 298

Trang 57

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

57

1- Ở 25 o C và áp suất riêng phần mỗi khí là 1 atm phản ứng có xảy ra không? Nếu có thì hiệu suất là bao nhiêu?

2- Xác định chiều xảy ra của phản ứng ở các điều kiện 25 o C và áp suất riêng phần các khí NO2 và N2O4 tương ứng là:

a) 0,1 và 0,9 ; b) 0,72 và 0,28; c) 0,9 và 0,1 atm

Trang 58

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

58

= (2309 −2× 8019) − 298 (72,73−2× 57,46)

8K

1955,

2298

x987,

1

1300K

ln

1300K

ln298x

987,

1G

P P

P

o 298

Đặt x là áp suất tăng thêm của

bằng của các khí sẽ là: P (1 x) atm và P (1 2x) atm

2 4

Trang 59

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

59

Từ đây:

2 2

1

8,98 35,92 36,92 7,98 0 (1 2 )

x1

62,

0100

x1

x

2

%H

và

atm38

,0)

31,

0x21

(P

;31,

131

,01

P

2 4

Trang 60

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

60

∆ G = 1,987 × 298{ln[0,9/(0,1) 2 ] − ln8,98} = 1365 cal > 0:

Xảy ra theo chiều nghịch.

Trang 61

Chương 3

ĐẠI CƯƠNG

61

3.5.4 Sự chuyển dịch cân bằng:

- Khái niệm: Là sự biến đổi trạng

thái cân bằng khi thay đổi một trong các điều kiện bên ngoài (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) quyết định trạng thái cân bằng của hệ

- Nguyên nhân:

Do tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch biến đổi khác nhau

- Các yếu tố ảnh hưởng:

Nồng độ, nhiệt độ, áp suất

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	370,5 KB