Hóa đại cương Chuong 6 nhiet hoa hoc

9/4/2013 Các khái niệm Nguyên lý I nhiệt động học Hiệu ứng nhiệt trình hóa học Tính tốn nhiệt hóa học 9/4/2013 Là nghiên cứu chuyển biến tương hỗ đại lượng lượng Nguyên lý 1: Năng lượng không tự nhiên sinh hay mà chuyển từ dạng sang dạng khác Nguyên lý 2: Nhiệt chuyển từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp  Nghiên cứu nhiệt động hóa học nghiên cứu quy luật chuyển biến hóa dạng lượng khác  Nhiệt động hóa học mơ tả liên hệ lượng hóa học phản ứng đến tác chất sản phẩm  Nghiên cứu nhiệt động hóa học nghiên cứu lượng nhiệt thu vào hay phát q trình hóa học 9/4/2013  Tóm lại, nhờ vào nhiệt động hóa học để nghiên cứu vấn đề hóa học (cấu tạo chất, tính chất) q trình hóa học, từ điều khiển trình hóa học theo ý muốn CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ: Là vật thể hay nhóm vật thể nghiên cứu tách biệt với môi trường xung quanh bề mặt tưởng tượng hay bề mặt vật lý  Ví dụ: Hỗn hợp La2O3, Sr2O3, Co2O3, Fe2O3 chén nung để chuẩn bị phản ứng Hệ hóa học hỗn hợp oxide Hệ cô lập: Là hệ không trao đổi chất, lượng với môi trường xung quanh 9/4/2013 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Hệ kín: Khơng có khả trao đổi chất, có khả trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh  Hệ hở: Có khả trao đổi chất, có khả trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh  Hệ cân bằng: Là hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống điểm hệ không thay đổi theo thời gian CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ đồng thể: Là hệ có pha, khơng có phân chia pha  Hệ dị thể: Hệ có hai pha trở lên có bề mặt phân chia pha 9/4/2013 Trạng thái hệ thông số trạng thái, hàm trạng thái  Trạng thái hệ: Được xác định tập hợp thơng số trạng thái biểu diễn tính chất lý, hố hệ  Thơng số trạng thái: Là kiện nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nồng độ C… Trạng thái hệ thông số trạng thái, hàm trạng thái  Phƣơng trình trạng thái Mô tả tương quan thông số trạng thái Ví dụ: pv=nRT  Hàm trạng thái Có giá trị phụ thuộc vào thông số trạng thái hệ không phụ thuộc vào cách biến đổi hệ (nghĩa không phụ thuộc vào đường trình) 9/4/2013 Trạng thái hệ thông số trạng thái, hàm trạng thái Các hàm trạng thái: Nội U, enthapy H, Entropy S, lượng tự Gibbs G,… Nhiệt q công w hàm trạng thái Các trình Khi hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác, tức hệ thực trình Quá trình thuận nghịch (TN): Xảy theo hai chiều ngược diễn theo chiều nghịch, hệ & môi trường chuyển trạng thái ban đầu Quá trình bất thuận nghịch: trình xảy theo chiều, không diễn theo chiều ngược lại Quá trình đẳng áp: (Isobaric process, p=const) Q trình đẳng tích: (Isochoric process, V=const) Quá trình đẳng nhiệt: Isothermal process, T=const) 9/4/2013 Nguyên lý I nhiệt động học Nguyên lý I: “Khơng có dạng lượng tự sinh tự đi, chúng chuyển thành dạng lượng khác với lượng phải bảo toàn ” Cách phát biểu khác: Khi cung cấp cho hệ lượng nhiệt Q lượng nhiệt dùng làm tăng nội U hệ giúp hệ thực công A chống lại lực bên tác động lên hệ Q = ∆U + A Công A Công A công hệ thực trình chuyển từ trạng thái sang trạng thái để chống lại lực bên tác động lên hệ như: áp suất, điện trường, từ trường, sức căng bề mặt… Công A: A   PdV 9/4/2013 Công A  Quy ước dấu: Hệ nhận công : A < Hệ sinh cơng : A > Q trình đẳng tích (V=0) Cơng dãn nở A = Q trình đẳng áp Công dãn nở A = P.V  Nếu hệ ngưng tụ, ∆V=0, A=0 Công A  QT xảy hệ khí lý tưởng T=const : 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 9/4/2013 Nội U Tổng quát:  Năng lượng hệ, E = U + Eđ + Et  U nội hệ  Nội U hệ lượng sẵn có, tiềm ẩn bên hệ  Hệ đứng yên, tương tác hệ với m.trường ngồi khơng đổi nhỏ (Eđ =0, Et=0):  E=U Nội U  Nội bao gồm:    Năng lượng chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, chuyển động dao động nguyên tử, phân tử, hạt nhân, e- hệ Năng lượng tương tác hút đẩy phân tử, nguyên tử, hạt nhân, e- Năng lượng bên hạt nhân 9/4/2013 Nội U  U hàm trạng thái  Đơn vị: J/mol cal/mol  U phụ thuộc vào chất, lượng chất, T, P, V, thành phần hệ Nội U & nhiệt đẳng tích Q = U + A U = U2 – U1, A = PV  Q = U + PV  Ở điều kiện đẳng tích (V=const, V=0) QV = U + PV = U  Qv hiệu ứng nhiệt đẳng tích Ở điều kiện đẳng tích, nhiệt cung cấp cho hệ dùng để tăng nội hệ 10 9/4/2013 Nhiệt tạo thành  Nhiệt tạo thành hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất trạng thái bền vững đk cho  Ở điều kiện tiêu chuẩn (25°C,1atm) gọi Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn, H0298tt, hay H0298 f • Ví dụ: C(graphit) + O2(k) → CO2(k) ; H0298 = -393,51 kJ => H0298tt CO2(k) = -393,51 kJ.mol-1 Nhiệt tạo thành 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 17 9/4/2013 Nhiệt tạo thành Ví dụ5: Ở điều kiện tiêu chuẩn:  ½ Cl2(k) + ½ H2(k)  HCl (k) H0298tt (HCl k)= -22.06 kcal/mol  N2 (k) + 3H2 (k)2NH3 (k) H0pu (NH3 k)= -22 kcal/mol H0tt (NH3 k)= -11 kcal/mol H0tt (N2 k, H2 k,)= Nhiệt đốt cháy  Nhiệt đốt cháy chất hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy mol chất oxy vừa đủ để tạo thành chất bền vững điều kiện phản ứng  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 )  Ở đk tiêu chuẩn (250C, atm): H0298đc hay H0298 b 18 9/4/2013 Nhiệt đốt cháy Ví dụ 6: C H k   O2 k   2CO2 (k )  3H O(l ) H0phản ứng = - 372.82 kcal Nhiệt đốt cháy C6H6 =-372.82 kcal Nhiệt chuyển trạng thái  Là hiệu ứng nhiệt chuyển mol chất từ trạng thái sang trạng thái khác I2 (r)  I2 (k), H0298=14.92 kcal, nhiệt thăng hoa H2O (l)  H2O (k), H0298=10.52 kcal, nhiệt bay AlBr3 (r)  AlBr3 (l), H0298=2.71 kcal, nhiệt nóng chảy 19 9/4/2013 Nhiệt hòa tan  Là hiệu ứng nhiệt cần thiết để hòa tan mol chất thành dung dịch thể tích dung mơi lớn  giai đoạn q trình hịa tan:  Phá vỡ liên kết chất tan (thu nhiệt) Ví dụ: phá vỡ mạng tinh thể muối hòa tan vào nước  Phá vỡ liên kết phân tử dung mơi (thu nhiệt), ví dụ: phá vỡ liên kết hydro nước  Tạo thành liên kết dung môi chất tan dung dịch (tỏa nhiệt) Nhiệt hịa tan Phụ thc độ lớn giai đoạn mà tổng cộng q trình hịa tan tỏa nhiệt (muối ăn nước) hay thu nhiệt (NH4Cl nước) NaOH (r) +(n+m)H2O (l) = Na+.mH2O (dd) + OH-.nH2O (dd) H0 = -10.20 kcal/mol NH4Cl (r) +(n+m)H2O (l) = NH4+.mH2O (dd) + Cl-.nH2O (dd) H0 = +6.14 kcal/mol 20 9/4/2013 ĐỊNH LUẬT HESS Hiệu ứng nhiệt q trình hóa học:  Phụ thuộc vào chất trạng thái chất đầu sản phẩm cuối  Không phụ thuộc vào đường q trình, (khơng phụ thuộc vào số đặc điểm giai đoạn trung gian) ĐỊNH LUẬT HESS A H1 H2 H Chất phản ứng H B H4 Sản phẩm H5 phản ứng C H = H1 + H2 = H3 + H4 + H5 21 9/4/2013 VÍ DỤ H1 = H2 + H3 VÍ DỤ CH4(k)  C(r) + H2(k)  H1 C(r) + O2(k)  CO2(k)  H3 H2(k) + O2(k)  H2O(l)  H4 CH4(k) + O2(k)  CO2(k) + H2O(l), H H =  H1 +  H3 +  H4 22 9/4/2013 Ví dụ 9: Xác định hiệu ứng nhiệt pư: C (gr) + ½O2(k) → CO (k), H0298 (1)= ? Biết: C(graphit) + O2(k) → CO2(k), H0298= -393,5 kJ (2) CO(k) + ½O2(k) → CO2(k), H0298= -283,0 kJ (3) Sol:  H0298 tt CO(k) = -393,5 -(- 283,0) = -110,5 kJ/mol Ví dụ 10: Tính lượng liên kết O─H phân tử H2O, biết: 2H(k) + O(k) → H2O(k), H0 = -924.2 kJ Sol: Ephân ly H2O= +924.2 kJ/mol Trong phân tử H2O có liên kết O─H, nên lượng liên kết là: EO─H = ½ Ephân ly H2O= ½(924.2) = 462,1 kJ 23 9/4/2013 Ví dụ 11: Sử dụng lượng liên kết, tính hiệu ứng nhiệt phản ứng sau 298K: N2 (k) + 3H2(k)  2NH3 (k) Cho biết: H NN=945 kj/mol, H HH=436 kj/mol, H N-H=391 kj/mol Giải: HỆ QUẢ ĐỊNH LUẬT LAVOISIERLAPLACE Lượng nhiệt hấp thu chất phân hủy thành nguyên tố lượng nhiệt phát tạo thành hợp chất từ nguyên tố A + B = AB , H1 AB = A + B, H2 H1= -H2 24 9/4/2013 Các tốn hiệu ứng nhiệt 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 Xét phản ứng: aA + bB = cC + dD H1 H2 H3 H4 (nhiệt tạo thành) Hpu = cH3 + dH4 – (aH1 + bH2) Các toán hiệu ứng nhiệt 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 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) 25 9/4/2013 Các ví dụ Ví dụ 12: Tính Horxn 25oC phản ứng sau: C(graphite) + 2H2 (g)  CH4(g) Cho biết hiệu ứng nhiệt đốt cháy C(graphite) , H2 (g), CH4(g) là: -393.5 kJ/mol, -285.8 kJ/mol, -890.3 kJ/mol Các ví dụ Giải: 26 9/4/2013 Các ví dụ Ví dụ 13: Tính Horxn 25oC phản ứng sau: Giải: Các ví dụ Ví dụ 14: Sử dụng Hof Tính Horxn 25oC phản ứng sau: Cho biết: 27 9/4/2013 Các ví dụ Giải: Các ví dụ Ví dụ 15: Sử dụng Hof Sử dụng kiện sau để tính vàng)) : Hof PbO (r, màu Giải: 28 9/4/2013 ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT HESS CHU TRÌNH BORN-HABER Tính lượng mạng tinh thể: Ví dụ 16: Dùng chu trình Born-Haber để tính lượng mạng tinh thể mol NaCl: Na+ (k) + Cl-(k) NaCl (r) Cho biết: Nhiệt thăng hoa Na, nhiệt phân ly Cl2, lượng ion hóa Na(k), lực ion Cl(k) nhiệt tạo thành NaCl (r) Htt(NaCl) Na(k)+Cl(k) INa NaCl (r) Htinh thểNaCl 1/2HplCl2 Ht.hoaNa Na(r)+1/2Cl2(k) ECl Na+(k)+Cl-(k)    H tinhthe( NaCl )  H tt ( NaCl )   H t hoaNa  H plyCl2  I Na  ECl    29 9/4/2013 Ví dụ 17: Tính lƣợng liên kết HCl HlkHCl H(k) + Cl(k) = HCl(k), HlkHCl Cho biết nhiệt phân ly H2, Cl2 nhiệt tạo thành HCl(k), HttHCl H(k)+ Cl(k) Htt(HCl) HCl (k) 1/2∆Hply Cl2 1/2∆Hply H2 1/2H2(k)+1/2Cl2(k) 1 H 0tt  H plyH2  H plyCl2  H 0lk HCl 2 1   H 0lk HCl  H 0tt   H plyH2  H plyCl2  2  30 9/4/2013 Ví dụ 18: Tính lượng mạng ng tử cuả tinh thể SiO2 (trang 256) Si(k) + 2O(k) = SiO2(r), Hom=? Cho biết: Si (r) = Si(k), Hoth (Si)= 455,6kJ O2 (k) = 2O(k), Hopl(O2) = 498,34kJ Si(r) + O2(k) = SiO2(r), Hott(SiO2)= -910,94 kJ Giải: Hom= -1864,88kJ 31 ... Cho biết: Nhiệt thăng hoa Na, nhiệt phân ly Cl2, lượng ion hóa Na(k), lực ion Cl(k) nhiệt tạo thành NaCl (r) Htt(NaCl) Na(k)+Cl(k) INa NaCl (r) Htinh thểNaCl 1/2HplCl2 Ht.hoaNa Na(r)+1/2Cl2(k)... chuyển mol chất từ trạng thái sang trạng thái khác I2 (r)  I2 (k), H0298=14.92 kcal, nhiệt thăng hoa H2O (l)  H2O (k), H0298=10.52 kcal, nhiệt bay AlBr3 (r)  AlBr3 (l), H0298=2.71 kcal, nhiệt... Ht.hoaNa Na(r)+1/2Cl2(k) ECl Na+(k)+Cl-(k)    H tinhthe( NaCl )  H tt ( NaCl )   H t hoaNa  H plyCl2  I Na  ECl    29 9/4/2013 Ví dụ 17: Tính lƣợng liên kết HCl HlkHCl H(k)