Tìm hiểu về hiệu ứng nhiệt trong phản ứng hoá học

Tìm hiểu về hiệu ứng nhiệt trong phản ứng hoá học

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong xu thế hội nhập kinh tế quốc tế để có thể sánh kịp các cường quốc trên thế giới đòi hỏi chúng ta phải cố gắng trên tất cả mọi lĩnh vực như: kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật… để làm được điều này không có con đường nào khác là con đường học tập, rèn luyện kỹ năng, trau dồi kiến thức từ khi còn là học sinh, sinh viên Trong khi các môn học Xã hội giúp cung cấp những kiến thức xã hội cần thiết giúp chúng ta có đủ tự tin bước vào cuộc sống thì các môn học thuộc lĩnh vực Tự nhiên lại là “chìa khoá” giúp cho chúng ta mở được những cánh cửa “ thành công ” của cuộc sống Chính những môn học này mới là nền tảng giúp chúng ta tiến gần tới những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại và sử dụng những thành tựu đó vào công cuộc xây dựng một đất nước.

Trong các môn Khoa Học Tự Nhiên thì Hoá học là một môn khoa học có vai trò rất quan trong vào sự thành công của khoa học công nghệ Xét riêng trong nghành công nghệ May mặc thì Hoá học giúp chúng ta biết được tất cả những tính chất cần thiết của một loại vật liệu nào đó, góp phần to lớn vào sự thành công của nghành Dệt may Việt Nam Chính vì tầm quan trọng và mong muốn được tìm hiểu, học hỏi cũng như chia sẻ những hiểu biết

nhỏ bé của mình mà tôi chọn đề tài “Tìm hiểu về hiệu ứng nhiệt độ trong phản ứng hoá học”.

Bằng những phương pháp thống kê, so sánh, phân tích tổng hợp từ những tài liệu quý báu mà tôi đã tìm được đã giúp tôi hiểu sâu sắc hơn về môn học này, đặc biệt là vấn đề về hiệu ứng nhiệt trong phản ứng hoá học Để hiểu sâu sắc vấn đề này chúng ta cùng tìm hiểu ở phần nội dung.

PHẦN NỘI DUNG

I Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hoá học

1 Khái niệm về hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học

Hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học là nhiệt lượng mà hệ thu vào hay phát ra

trong các quá trình hoá học dung để thay đổi nội năng hay entanpi của hệ.

Trong các quá trình hoá học phát nhiệt làm cho nội năng U và entanpy H của hệ giảm xuống tức là ∆U < 0 và ∆H < 0 ngược lại trong các quá trình thu nhiệt thì ∆U > 0 và ∆H >0.

Trong những phản ứng mà chất rắn và chất lỏng tham gia sự biến đổi thể tích là không đáng kể và nếu quá trình thực hiện ở áp suất bé có thể coi p∆U có giá trị rất nhỏ khi đó ∆H ≈ ∆U

nếu các phản ứng có chất khí tham gia thì giá trị ∆H và ∆U sẽ khác nhau Trong trường hợp khí tham gia là lý tưởng:

PV = nRTp∆V = ∆n RT

n là biến thiên số mol khí trong phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T R là hằng số khí R = 8,312at.lit / mol độ

∆H = ∆U + ∆nRTKhi ∆n = 0 thì ∆H = ∆U

∆n ≠ 0 thì ∆H ≠ ∆U

2 Phương trình nhiệt hoá học

+ Nếu Q < 0 (∆H > 0 ): phản ứng thu nhiệt.

Các chất khác nhau thì nội năng hay entanpy cũng khác nhau, do đó có thể nói nội năng hay entanpy của các chất tham gia phản ứng khác với các chất thu được sau phản ứng.

Hiệu ứng nhiệt ∆H của 1 phản ứng ở áp suất không đổi và một nhiệt độ xác định bằng tổng entanpy của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entanpi của các chất tham gia phản ứng

∆H = ∑∆HSPpư - ∑∆Hchất đầu pư

Trong nhiệt động học thì quy ứoc entanpi của đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn bằng 0Đối với chất khí trạng thái tiêu chuẩn là trạng thái khí lý tưởng ở áp suất p = 1 atm

Đối với chất lỏng và chất rắn trạng thái` tiêu chuẩn là trạng thái tinh khiết ở 2980K (tức 250C) và áp suất là 1atm biến thiên entanpi tính đươc từ các chất ở điều kiện chuẩn là entanpi tiêu chuẩn, ký hiệu ∆H0298.

3 Một số các loại nhiệt thường gặp.

a Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt)

Nhiệt tạo thành là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền nhất.

Ví dụ: Nhiệt tạo thành của khí CO2 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng:C(gr) + O2 = CO2(k) ∆H = -393,5 kJ/mol

hiệu ứng nhiệt của pư kết hợp giữa H2 và O2 tạo thành nước:2H2(k) + O2(k) = 2H2O(l) ∆H = -571,66 kJ/mol

nhiệt tạo thành của nước lỏng từ các đơn chất là: -571,66 : 2 = -285,83 kJ(Xem nhiệt tạo thành của một số chất ở bảng 1)

b Nhiệt đốt cháy (thiêu nhiệt)

Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất hữu cơ bằng oxi phân tử để tạo thành khí CO2, nước lỏng và một số sản phẩm khác

Ví du: Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệt phân CaCO3 ở đktc:

CaCO3(r) = CO2(k) + CaO(r)∆H0298 kJ/mol: -1206,9 -635.5 -393,5

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

∆H0298 = (-635.5 -393,5) – (-1206,9) = -177,9 kJ/mol

II Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess.

1 Định luật Hess (Hess là nhà bác học người Nga 1812- 1850)

Hiệu ứng nhiệt chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào các trạng thái trung gian

ví dụ: Điều chế khí CO2 từ hai cách

cách 1: Đốt cháy trực tiếp C (than chì) thành CO2

C(than chì) + O2 = CO2(kh) ∆H

Cách 2: Tiến hành qua 2 giai đoạn

C(than chì) + ½ O2 = CO(kh) ∆H1CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh) ∆H2

Nếu áp suất không đổi thì hiệu ứng nhiệt của hai cách tiến hành trên phải bằng nhau tức là:

∆H = ∆H1 + ∆H2

Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả thực tế đo được là: ∆H = -94,05 kcal/mol; ∆H1 = -26,42 kcal/mol; ∆H2 = -67,63 kcal/mol

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch nhưng trái dấu

∆Hthuận = -∆Hnghịch

Ví dụ: phản ứng tạo thành nước:

H2(k) + ½ O2 ↔ H2O (h)∆Hthuận = -57,80 kcal/mol

∆Hnghịch = 57,80 kcal/mol→ ∆Hthuận = -∆Hnghịch

Ví dụ: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy CH4:

CH4(k) + 2O2(k) = CO2(k) + H2O ∆H = ? (4)

CH4(k) = C(g) + 2H2(k) ∆H1 = 74,9 kJ/mol (1)C(gr) + O2(k) = CO2(k) ∆H2= -393.5 k J/mol (2)2H2(k) + O2(k) = 2 H2O ∆H3 = -2285.8 kJ/mol (3)Ta thấy : (1) +(2) + (3) = (4)

2 Ứng dụng của định luật Hess

a Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng

Ví dụ: Tính nhiệt tạo thành CO2 từ cácbon và oxi O2

(3) C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) ∆H = ?biết:

(1) C(gr) + O2(k) = CO2(k) ∆H1 = -393,5 kJ/mol(2) CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh) ∆H2 = -283,0 kJ/molTa thấy :(1) – (2) = (3) nên ∆H = -393,5 + 283,0 = -110,5 kJ/mol

b Tính năng lượng liên kết

năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết và được ký hiệu là E (kJ/mol hay kcal/mol)

trường hợp phân tử có 2 nguyên t ử A - BA(k) + B(k) = AB(k)

năng lượng liên kết A – B ký hiệu EA-B chính là sự biến đổi entanpi của phản ứng theo chiều thuận nghịch tức EA -B = - ∆H0298

Ví dụ: Tính năng lượng liên kết của O-H trong H2O

biết:

2H2(k) + O2(k) = 2 H2O ∆H0298 = -924,2 kJ/molPhân tử H2O có 2 liên kết O-H nên năng lượng mỗi liên kết là:EO-H = 924,2 : 2 = 462,1 kJ

III Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ

Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ đã được Kirchhoff (nhà hoá học người Đức1824- 1887) thiết lập

∆H2 = ∆H1 + ∫ ∆CpdT

Cho phản ứng: CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh)

Cho bi ết: ∆H0298 = -283 kJ/mol và nhiệt dung của phân tử đẳng áp Cp của các chất CO, O2, CO2 lần lượt bằng 6.97, 7.05, 8.96 cal/độ.mol hãy tính ∆H ở 3980K

Lời giải:Ta tính biến thiên ∆Cp của phản ứng:

∆Cp = 8.96 – 6.97 – 7.05/2 = 1.33 cal/mol = 6.48 J/mol∆H398 = ∆H298 + ∆Cp(398 – 298)

∆H398 = -283.0 – 0.648 = -283.648 kJ/ molNhư vậy ở nhiệt độ cao ∆H chỉ tăng rất ít.

Tìm hiểu về khoảng nhiệt tối ưu

Khoảng nhiệt tối ưu được sử dụng với ý nghĩa tối đa hoá năng suất trong một thiết bịphản ứng cho trước nhiệt độ tối ưu này cò thể là đẳng nhiệt hoặc thay đổi theo: thời gian cho bình khuấy hoạt động gián đoạn, theo chiều dài cho thiết bị phản ứng dạng ống hay từ bình này sang bình khác cho hệ bình khuấy mắc nối tiếp.

Với các phản ứng không thuận nghịch, độ chuyển hoá tối đa có thể đạt được không chịuảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong khi đó vận tốc phản ứng tăng theo nhiệt độ Như vậy năngsuất tối đa đạt được tại nhiệt độ cao nhất có thể được.nhiệt độ này bị giới hạn bởi các vậtliệu chế tạo thiết bị và các phản ứng phụ nếu có.

Với phản ứng thuận nghịch phát nhiệt sảy ra trong thiết bị phản ứng dạng ống tăng nhiệtđộ sẽ làm tăng vận tốc phản ứng thuận nhưng ngược lại nó làm giảm độ chuyển hoá tốiđa có thể đạt được như vậy tại những điểm gần đầu vào ở đó tác chất còn ở xa độ chuyểnhoá cân bằng sẽ thuận lợi để dung nhiệt độ cao tại những điểm gần đầu ra, điều kiện cânbằng gần đạt đến nên sử dụng nhiệt độ thấp để cho độ chuyển hoá cao hơn Do đó trong trường hợp này quá trình được thực hiện với nhiệt độ thay đổi từ đầu vào đến đầu ra.Để xác định sự biến đổi nhiệt độ tối ưu từ đó cho năng suất cựu đại ta phải biết thànhphần của nhập liệu và vận tốc phản ứng là hàm số theo nhiệt độ.từ những số liệu này vậntốc phản ứng theo cả nhiệt độ và độ chuyển hoá được tính và vẽ như Hình.1 và Hính.2Đường ghạch đứt đoạn trên hình là đường vận tốc phản ứng cực đại tại mỗi độ chuyểnhoá và nhiệt độ bằng cách dung vận tốc phản ứng này tương ứng với mỗi độ chuyển hoávà lấy tích phân bằng đồ thị cho bình khuấy trộn hoạt động gián đoạn hoặc thiết bị phản

ứng dạng ống hoặc bình khuấy mắc nối tiếp ta sẽ xác định được năng suất cực đại cho phản ứng thuận nghịch phát nhiệt.

Ví dụ:

Tính nhiệt phản ứng cho phản ứng tổng hợp ammoniac từ hydrogen và nitrogen ở 1500C theo

a) kcal/ mol N2 phản ứngb) kJ/ mol N2 phản ứng

Giải

Phản ứng tổng hợp là:N2 + 3H2 → 2NH3

Trước hết tính nhiệt phản ứng tại nhiệt độ chuẩn TR = 250C = 298K từ nhiệt cấu tạo củacác chất trong phản ứng