bài giảng hóa học đại cương đh kỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG VÀ PHẢN ỨNG HOÁ HỌC Tủ lạnh Abba Gia đình Abba làm nghề sản xuất bình đất Khi cịn cậu bé, Abba có niềm đam mê loại đồ đất, loại đồ có tính chất đặc biệt không bị thay đổi cấu trúc hấp phụ nước Sau tốt nghiệp đại học ngành thương mại tuổi 20, anh dạy trường đại học thương mại Jigwa, Nigieria sau trở thành cố vấn tổ chức Phát triển liên hợp quốc (UNDP) Chính cơng việc làm anh hiểu biết sâu sắc vùng nông thôn phía Bắc Nigieria giúp anh nhận thức khổ cực gia đình Nhận thức thúc anh sáng tạo phân phối loại bình đất dùng để bảo quản thực phẩm Nếu ta đặt bình chứa nước lên bếp lò phơi ánh nắng mặt trời, nước bay Để nước bay được, cần phải cung cấp lượng dạng khác Nguyên lí tiếng ứng dụng cách độc đáo giáo viên người Châu Phi - Mohammed Bah Abba - để cải thiện sống người đồng bào anh Nigieria Cuộc sống người dân vùng phía Bắc Nigieria vất vả vùng nơng thơn bán sa mạc, hầu hết người sống nghề nông Do tủ lạnh đại nên thực phẩm họ thường bị ôi thiu Bằng cách áp dụng nguyên lí thứ nhiệt động học, Abba chế tạo tủ lạnh chi có giá 30 cent không cần phải chạy điện Tủ lạnh Abba gồm có hai bình làm đất lồng vào nhau, hai bình lớp cát ẩm, bình phủ lớp vải ẩm đặt nơi thống gió Nước thấm từ lớp cát ẩm qua thành ngồi bình nhanh chóng bay vào khơng khí khơ nóng vùng sa mạc mang nhiệt Nhờ nhiệt độ bình bên bị giảm xuống giúp cho thực phẩm bình khơng bị thiu sau vài ngày Vào năm 1990, với uy tín Abba sản xuất bán khoảng 10.000 bình cho gia đình phía Bắc Nigieria Anh dự đốn có khoảng 75% tổng số gia đình sử dụng loại “tủ lạnh” Tác dụng loại thiết bị đơn giản có lợi mặt sức khỏe cho người mà cịn có ý nghĩa mặt kinh tế xã hội Trước phát kiến loại bình đất bảo quản thực phẩm, người ta thường phải bán sản phẩm thu hoạch Trước đây, bé gái gia đình thường phải bán dạo thực phẩm đường phố giải phóng khỏi cơng việc có thời gian đến trường để tạo lập nên sống Cứ hai năm lân, công ty Rolex - nhà sản xuất đồng hồ lớn Thụy Sỹ - lại trao giải thường cho cơng trình nghiên cứu ứng dụng có tính sáng tạo Với loại bình bảo quản thực phâm mình, Abba vinh dự năm người nhận giải thường Rolex vào năm 2000 Mục đích chương Đánh giá biến đổi nhiệt liên quan tới thay đổi nhiệt độ thay đổi trạng thái vật chất • • Ứng dụng nguyên lí thứ nhiệt động học • Hiểu khái niệm, ý nghĩa entanpi nội • Tính tốn hiệu ứng nhiệt phản ứng hố học 1.1 Các ngun lí lượng - Năng lượng chia thành hai loại chính: động + Động năng lượng chuyển động nguyên tử, phân tử ion hệ thống, động tính phương trình: Eđ = mv2 + Thế dạng lượng có từ vị trí vật thể bao gồm: lực hút lực đẩy tất hạt nhân electron hệ, bao gồm lượng liên kết phân tử, lực ion, lực phân tử trạng thái lỏng trạng thái rắn Thế dạng lượng tích trữ chuyển thành động Đơn vị lượng Đơn vị quốc tế SI để đo nhiệt lượng: đơn vị Jun (J) 1J = kg.m2/s2 Tuy nhiên, đơn vị J có giá trị nhỏ hố học, người ta hay dùng đơn vị kJ (1 kJ =1000J) Ngoài dùng đơn vị đo nhiệt lượng calo (cal) 1Kcal tương đương với 1000 cal Mối quan hệ Jun cal sau: 1calo (cal) = 4,184 jun(J) • Calo chế độ ăn (viết chữ hoa C) thường sử dụng Mỹ để biểu thị lượng có chứa thức ăn, đơn vị in nhãn loại thức ăn mục thông tin dinh dưỡng Hệ môi trường xung quanh + Hệ phần vũ trụ có giới hạn xác định, khảo sát phương diện trao đổi lượng vật chất Phần lại vũ trụ mơi trường ngồi hệ Ranh giới hệ mơi trường có thực, tưởng tượng Hệ trao đổi nhiệt, cơng, vật chất với mơi trường ngồi + Các loại hệ: Hệ hở (hệ mở): hệ trao đổi lượng lẫn vật chất với mơi trường ngồi Hệ kín (hệ đóng): hệ trao đổi với mơi trường ngồi lượng khơng trao đổi vật chất Hệ cô lập: hệ không trao đổi lượng lẫn vật chất với môi trường ngồi Hệ đoạn nhiệt: hệ khơng có trao đổi nhiệt với mơi trường bên ngồi Hệ đồng thể: hệ khơng có bề mặt phân chia thuộc tính const thay đổi liên tục từ điểm tới điểm kia, hệ gồm có pha (hoặc rắn, lỏng, khí) Hệ dị thể: Là hệ mà có bề mặt phân chia phần phần khác hệ, hệ gồm từ hai pha trở lên Pha: Tập hợp phần đồng thể hệ có tính chất hố, lý giới hạn với phần khác bề mặt phân chia Trái đất coi hệ nhiệt động, phần cịn lại vũ trụ mơi trường xung quanh Một phản ứng hóa học diễn phịng thí nghiệm coi hệ, tồn phịng thí nghiệm mơi trường xung quanh 1.2 Nhiệt dung riêng truyền nhiệt Nhiệt hấp thụ hay truyền khỏi vật thể phụ thuộc vào yếu tố sau: • Khối lượng vật thể • Khoảng thay đổi nhiệt độ • Bản chất vật thể Nhiệt dung riêng (C) liên quan tới ba yếu tố Nhiệt dung riêng lượng nhiệt cần cung cấp để làm tăng nhiệt độ gam chất lên 1K có đơn vị đo J/g.K Nhiệt toả hay thu vào chất có khối lượng xác định nóng lên hay lạnh tính theo cơng thức: Q = C m T Trong đó: (1.1) C - Nhiệt dung riêng m - khối lượng chất T - Biến thiên nhiệt độ T = Tcuối - Tđầu Q - Nhiệt trao đổi Khoảng thay đổi nhiệt độ T: a) Nếu Tcuối > Tđầu, ứng với tăng nhiệt độ, giá trị T > nên giá trị Q tính mang dấu dương Vật thể nhận nhiệt từ mơi trường bên ngồi b) Nếu Tcuối < Tđầu , ứng với giảm nhiệt độ, giá trị T < nên giá trị Q tính mang dấu âm Nhiệt truyền từ vật thể môi trường bên T hệ Dấu T Dấu Q Hướng truyền nhiệt Tăng + + Nhiệt truyền từ mơi trường bên ngồi vào hệ (q trình thu nhiệt) Giảm - - Nhiệt truyền từ hệ môi trường (quá trình tỏa nhiệt) Nhiệt dung mol Nhiệt dung mol lượng nhiệt cần cung cấp để tăng nhiệt độ mol chất tăng lên độ K Khi nhiệt lượng tỏa hay thu vào chất tính theo cơng thức: Q = C n T Trong đó: (1.2) C - Nhiệt dung mol n - số mol chất Các kim loại có giá trị nhiệt dung riêng khác gam chất Tuy nhiên, nhiệt dung mol hầu hết kim loại nằm khoảng 25 J/mol.K Trong vật chất thơng dụng, nước lỏng có giá trị nhiệt dung riêng cao gam chất Do đó, nước nhân tố đóng vai trị quan trọng việc điều hồ khí hậu trái đất Trong điều kiện áp suất không đổi nhiệt dung mol gọi nhiệt dung mol đẳng áp ký hiệu Cp Trong điều kiện thể tích khơng đổi nhiệt dung mol gọi nhiệt dung mol đẳng tích ký hiệu Cv Chú ý: biến thiên nhiệt dung phản ứng hóa học tính cơng thức: ΔC = n �C (sp) - n'�C (tg) Phép đo nhiệt lượng hệ cô lập Biến thiên nhiệt lượng thường đo phịng thí nghiệm hóa học đại cương cách dùng “nhiệt lượng kế cốc cafe” Theo khái niệm nhiệt động học, thành phần nhiệt lượng kế cốc cafe môt hệ, cốc mơi trường quanh mơi trường xung quanh Có hai loại biến thiên nhiệt lượng xảy hệ thống: loại xảy hoá dự trữ chất tham gia giải phóng trình phản ứng, ta thường ký hiệu loại nhiệt Q pư (pư viết tắt từ “phản ứng”), loại nhiệt lượng thứ hai nhiệt lượng tăng lên giảm dung dịch (Qdd) Giả sử nhiệt lượng không bị trao đổi hệ thống môi trường xung quanh tổng biến thiên nhiệt lượng hệ thống không Qpư + Qdd = Biến thiên nhiệt lượng xảy thành phần dung dịch tính tốn từ nhiệt dung riêng, khối lượng biến thiên nhiệt độ Nhiệt lượng toả hay thu vào phản ứng chưa tính phương trình phản ứng Độ xác thí nghiệm đo nhiệt lượng phụ thuộc vào độ xác phép đo nhiệt độ, khối lượng nhiệt dung riêng Hơn nữa, phụ thuộc vào nhiệt lượng trao đổi hệ môi trường xung quanh Nhiệt lượng kế cốc cafe dụng cụ đơn giản kết đơi có độ xác khơng cao nhiệt lượng bị trao đổi môi trường xung quanh Trong phịng thí nghiệm nghiên cứu, nhà khoa học thường dùng nhiệt lượng kế có giá trị nhiệt trao đổi hệ môi trường xung quanh nhỏ hơn, họ dự đoán tính tốn xác nhiệt lượng trao đổi hệ mơi trường xung quanh Ví dụ 1: Giả sử đặt miếng kim loại Mg có khối lượng 0,5 gam vào nhiệt lượng kế cốc cafe, sau thêm vào 100,0 ml dung dịch HCl 1,0M Phản ứng hóa học xảy sau: Mg(r) + 2HCl(dd)  MgCl2(dd) + H2(k) Nhiệt độ dung dịch tăng từ 22,2°C tới 44,8°C Xác định nhiệt lượng sinh phản ứng trên? (Biết nhiệt dung riêng dung dịch 4,20 J/g.K khối lượng riêng dung dịch HCl 1,0 mg/1) Hướng dẫn: Có hai thay đổi nhiệt xảy hệ thống: nhiệt tỏa từ phản ứng (Qpư) nhiệt tăng lên tăng nhiệt độ dung dịch (Qdd) Để giải vấn đề ta phải thực theo bước: + Bước - tính tốn Qdd từ giá trị khối lượng, nhiệt dung riêng T; + Bước - tính Qpư với giả sử nhiệt không bị trao đổi hệ môi trường xung quanh (vì tổng nhiệt lượng thay đổi hệ Qpư + Qdd = 0); Lời giải: Bước Tính Qdd Khối lượng dung dịch xấp xỉ khối lượng 100,0 ml dung dịch HCl cộng với khối lượng magiê tương đương 100,5 gam Qdd = (100,5g) (4,20 J/g.K) (318,0 K-295,4 K) = 9,54  103J Bước Tính Qpư Qpư + Qdd =  Qpư = -9,54  103 J 1.3 Năng lượng biến đổi trạng thái Khi chất rắn nóng chảy, nguyên tử, phân tử ion chuyển động mạnh để thắng lực hút nguyên tử, phân tử ion xung quanh Q trình chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí gọi trình biến đổi trạng thái Trong hai trường hợp, cần phải cung cấp nhiệt để thắng lực hút phân tử Nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển vật chất từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng gọi nhiệt nóng chảy Nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển vật chất từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí gọi nhiệt bay Nhiệt nóng chảy bay chất thường thống kê sổ tay hóa học với số tính chất vật lí khác Ví dụ 2: Biết nước có nhiệt nóng chảy 0°C 333 J/g nhiệt bay 100°C 2260 J/g Những giá trị sử dụng tính tốn nhiệt lượng thu vào toả nước sơi đóng băng Nhiệt lượng cần cung cấp để chuyển 500,0 gam nước từ trạng thái lỏng sang trạng thái 100°C là: (2260 J/g) (500 g) = 1,13  106J( hay 1130 kJ) Nếu lượng nước lỏng tương tự đóng băng 0°C tạo thành nước đá nhiệt lượng toả là: (333 J/g) (500g) = 1,67  105 J (hay 167 kJ) Để nâng nhiệt độ 500 gam nước từ - 50°C đến 200°C, trước tiên, cần cung cấp nhiệt để làm tăng nhiệt độ nước đá Khi đạt tới 0°C nhiệt lượng cần cung cấp 167 kJ để chuyển nước từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Khi toàn đá tan chảy hết, nước lỏng hấp thụ nhiệt nóng lên tới 100°C, nhiệt độ sôi nước Để chuyển nước từ trạng thái lỏng sang trạng thái cần cung cấp nhiệt lượng 1130 kJ Khi nước chuyển hoàn toàn sang trạng thái cần phải cung cấp tiếp nhiệt lượng để chuyển nước thể từ 100 đến 200°C Tổng lượng nhiệt hấp thụ tính nhiệt lượng tổng cộng trình biến đổi Cần ý rằng, nhiệt độ q trình chuyển pha khơng đổi, suốt trình chuyển pha, cung cấp thêm nhiệt cho hệ lượng nhiệt dùng để thắng lực hút phân tử mà khơng làm tăng nhiệt độ vật chất Ví dụ 3: Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho trình tổng lượng nhiệt cần dùng để chuyển 500 gam nước đá từ -50°C đến trạng thái 200°C Biết nhiệt nóng chảy nước 333 J/g, nhiệt bay 2260 J/g nhiệt dung riêng nước đá, nước lỏng, nước 2,06; 4,184; 1,86 J/g.K Hướng dẫn Bài tốn tính theo bước: (1) tăng nhiệt độ nước đá từ -50°C đến 0°C (2) làm tan đá 0°C; (3) nâng nhiệt độ nước lỏng từ 0°C đến 100°C; (4) làm bay nước 100°C; (5) nâng nhiệt độ nước từ 100°C đến 200°C Sử dụng phương trình 1.1 để tính nhiệt từ khoảng biến thiên nhiệt độ Dùng giá trị nhiệt nóng chảy nhiệt bay để tính nhiệt biến đổi trạng thái Nhiệt lượng cần dùng tổng nhiệt lượng tất trình cộng lại 1.4 Nguyên lí thứ nhiệt động học Trong tương tác hệ với mơi trường ngồi có xảy trao đổi lượng Khi có hai cách khác chuyển lượng từ vật sang vật khác nhiệt công a Nhiệt Nếu chuyển lượng có liên quan đến thay đổi cường độ chuyển động phân tử hệ chuyển lượng thực dạng nhiệt - Nhiệt hình thức truyền lượng đặc trưng cho chuyển động vô trật tự (hỗn loạn) phần tử cấu tạo hệ - Ký hiệu: Q b Công Nếu chuyển lượng có liên quan đến chuyển dịch khối lượng vật chất vĩ mô tác dụng lực chuyển lượng thực dạng cơng - Cơng hình thức truyền lượng đặc trưng cho chuyển động có trật tự, có định hướng trường lực định hướng theo chiều - Cơng ký hiệu A Nhiệt công không phụ thuộc vào trạng thái hệ mà cịn phụ thuộc vào tính chất trình, chúng hàm trình Nhiệt cơng hình thức truyền lượng, có thứ nguyên lượng dạng lượng hệ Đối với phản ứng hoá học cơng chống lại lực bên ngồi thường cơng chống lại áp suất bên ngoài: PdV = - P( V2 - V1)= - PV A = � Đối với khí lý tưởng ta có A = - ∆nRT Cân lượng hệ thống bao gồm hai thành phần: biến thiên lượng hệ thống tổng nhiệt lượng trao đổi hệ môi trường bên ngồi (Q), cơng mà hệ sinh hay nhận vào (A) Ta miêu tả rõ ràng vấn đề phương trình sau: U = Q + A (1.3) Trong đó: Q - Nhiệt lượng trao đổi hệ mơi trường bên ngồi A - Công (ở áp suất không đổi) U - Biến thiên nội Phương trình (1.3) phương trình tốn học mơ tả ngun lí thứ nhiệt động học Biến thiên lượng hệ có tên gọi thức nhiệt động học nội (ký hiệu U) Giá trị nội khó xác định, nhiên thực tế khơng cần phải xác định giá trị mà tính biến thiên nội U Phương trình cho biết cách xác định biến thiên nội năng, U, việc đo thay đổi nhiệt lượng công sinh nhận vào hệ Quy ước dấu đại lượng phương trình 1.3 quan trọng Bảng tổng hợp ảnh hưởng công nhiệt đến nội Dấu Q A hệ Quy ước dấu Ảnh hưởng tới Uhệ thống Hệ nhận nhiệt từ môi trường (hệ thu nhiệt) Q > (+) U tăng Hệ truyền nhiệt môi trường (hệ tỏa nhiệt) Q < (-) U giảm Hệ nhận công A > (+) U tăng Hệ sinh công A