CHƯƠNG 1: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

CHƯƠNG 1: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Mục tiêu: - Nắm khái niệm - Hiểu vận dụng nguyên lí I nhiệt động học, định luật Hess hệ - Xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học thực nghiệm 1.1 Các khái niệm - Nhiệt động học: Ngành khoa học nghiên cứu quy luật điều khiển trao đổi lượng, đặc biệt quy luật có liên quan đến biến đổi nhiệt thành dạng lượng khác biến đổi qua lại dạng lượng - Nhiệt động hóa học: Là khoa học nghiên cứu ứng dụng nhiệt động học vào hóa học - Hệ nhiệt động: Là vật hay nhóm vật lấy để nghiên cứu Tất khơng thuộc hệ làm thành mơi trường bên ngồi Ví dụ: Cơ thể người hệ nhiệt động 1.1 Các khái niệm - Phân loại hệ nhiệt động: * Xét phương diện TĐVC lượng với môi trường: Q Q Q M M M Hệ mở Hệ kín Hệ cô lập 1.1 Các khái niệm - Phân loại hệ nhiệt động: * Xét chất hóa lí hệ: + Hệ đồng thể + Hệ dị thể - Pha phần đồng thể hệ, có thành phần tính chất giống hệt ngăn cách với phần khác hệ bề mặt phân chia pha 1.1 Các khái niệm - Thông số trạng thái – hàm trạng thái Trạng thái hệ: tập hợp tính chất đo trực tiếp hay gián tiếp nhiệt độ, áp suất, thể tích, khối lượng, thành phần hóa học,…nói lên đặc điểm hệ khảo sát Ví dụ: Đối với khí lí tưởng: PV = nRT Thơng số trạng thái: đại lượng vật lí xác định trạng thái hệ + Thông số khuếch độ (dung độ): khối lượng, thể tích, số mol + Thơng số cường độ: khối lượng riêng, nhiệt độ, … 1.1 Các khái niệm - Thông số trạng thái – hàm trạng thái Hàm trạng thái: Một hàm gọi hàm trạng thái biến thiên đại lượng phụ thuộc vào trạng thái đầu trạng thái cuối (không phụ thuộc vào cách thức biến đổi hệ) A B C 1.1 Các khái niệm - Thông số trạng thái – hàm trạng thái TSTT: HTT: P1, V1, T1 F1 (P1, V1, T1) P2, V2, T2 F2 (P2, V2, T2) → Biến thiên hàm trạng thái: ∆F = dF P V T = F2 P2 , V2 , T2 − F1 P1 , V1 , T1 , , 1.1 Các khái niệm - Biến đổi thuận nghịch – bất thuận nghịch Biến đổi thuận nghịch biến đổi mà trạng thái trung gian hệ trải qua xem q trình cân Ví dụ 1: H2O(r) H2O(l) 00C, atm Dao động lắc khơng có ma sát Ví dụ 2: Nước chảy từ cao xuống thấp Dao động lắc có ma sát 1.2 Ngun lí I nhiệt động học 1.2.1 Nội U Nội U toàn lượng dự trữ hệ, bao gồm: - Động chuyển động hạt - Thế tương tác hạt U = Etịnh tiến + Edao động + Equay + Ehút,đẩy 1.3 Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp 1.3.1 Nhiệt đẳng tích Qv Nhiệt đẳng tích nhiệt lượng hay thu vào hệ q trình biến đổi đẳng tích (V = const) ∆U = Qv Vậy nhiệt đẳng tích biến đổi nội 1.3 Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp 1.3.2 Nhiệt đẳng áp (Qp) Nhiệt đẳng áp nhiệt lượng thoát hay thu vào hệ trình biến đổi đẳng áp (P = const) ∆H = Qp Vậy nhiệt đẳng áp biến thiên entanpi hệ Entanpi chuẩn: Kí hiệu ∆H298 (∆H0) 1.3 Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp 1.3.3 Quan hệ Qv Qp - Đối với chất rắn, lỏng: ∆H = ∆U Qp = Qv - Đối với chất khí, xem khí lý tưởng: ∆H = ∆U + ∆nRT Qp = Qv + ∆nRT aA(k) + bB(k) → cC(k) + dD(k) Thì: ∆n = (c+d) – (a+b) Ví dụ: C6H6 + 15/2O2(k) → 6CO2(k) + 3H2O Ở 300K có Qp – Qv = 1245J Hỏi C6H6 H2O phản ứng trạng thái lỏng hay Cho R = 8,314 J/mol.K 1.4 Nhiệt hóa học 1.4.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học nhiệt lượng tỏa hay thu vào mol chất tham gia vào phản ứng (hay mol sản phẩm tạo thành) - Ở điều kiện đẳng tích: ∆U - Ở điều kiện đẳng áp: ∆H Phản ứng tỏa nhiệt: ∆H < 0, Phản ứng thu nhiệt: ∆H > 1.4 Nhiệt hóa học 1.4.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng Phương trình nhiệt hóa phương trình có ghi thêm nhiệt lượng tỏa hay thu vào kèm theo trạng thái tập hợp chất Ví dụ: 2SO2(k) + O2(k) 2SO3(k) 2NH3(k) → 3H2(k) + N2(k) ∆H = -196 kJ ∆H = 91,8 kJ * Lưu ý: Khi viết phương trình nhiệt hóa cần ý đến hệ số phương trình 1.4 Nhiệt hóa học 1.4.2 Nhiệt sinh (nhiệt tạo thành) Nhiệt sinh chất hiệu ứng nhiệt phản ứng tạo thành mol chất từ đơn chất bền vững điều kiện Kí hiệu: ∆H298,s (∆Hs0 ) Nhiệt sinh chuẩn đơn chất bền Ví dụ: N2(k) + H2(k) → NH3(k) 2 Cgr + 2H2(k) → CH4(k) -1 ∆Hs(NH = -45,9 kJ.mol 3(k) ) -1 ∆Hs(CH = -74,6 kJ.mol ) 4(k) 1.4 Nhiệt hóa học 1.4.3 Nhiệt cháy (nhiệt đốt cháy) Nhiệt cháy chất hiệu ứng nhiệt phản ứng đốt cháy hoàn toàn mol chất thành oxit cao bền điều kiện Kí hiệu: ∆ H298,c hay ∆Hc0 Ví dụ: CH4(k) + 2O2(k) → CO2(k) + H2O(l) ∆Hc(CH = -890,34 kJ/mol 4(k) ) Lưu ý: Nhiệt cháy nguyên tố nhiệt sinh oxit bền Ví dụ: S(r) + 3/2O2(k) → SO3(k) 0 ∆Hc(S =∆H s(SO3(k) ) = -395,7 kJ/mol (r) ) 1.4 Nhiệt hóa học 1.4.4 Nhiệt phân hủy Nhiệt phân hủy hợp chất hiệu ứng nhiệt phản ứng phân hủy mol hợp chất tạo thành đơn chất bền điều kiện Ví dụ: H2O(l) → H2(k) + O2(k) ∆Hph(H = 285,84 kJ/mol O,l) 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.1 Định luật Hess Hiệu ứng nhiệt q trình hóa học phụ thuộc vào trạng thái đầu chất tham gia phản ứng trạng thái cuối chất tạo thành mà không phụ thuộc vào giai đoạn trung gian ∆H0 CO2(k) Ví dụ: Cgr + O2(k) ∆H10 CO(k) + O2(k) Khi đó: ∆H0 = ∆H10 + ∆H20 ∆H20 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.2 Hệ định luật Hess  Hệ : Hiệu ứng nhiệt phản ứng thuận hiệu ứng nhiệt phản ứng nghịch ngược dấu Ví dụ: N2(k) + O2(k) → 2NO(k) 2NO(k) → N2(k) + O2(k) ∆H = 182,6 kJ ∆H = -182,6 kJ 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.2 Hệ định luật Hess Luyện tập: Tìm ∆H phản ứng: CH4(k) + 2O2(k) → CO2(k) + 2H2O(k) Biết: Cgr + 2H2(k) → CH4(k) Cgr + O2(k) → CO2(k) H2(k) + O2(k) → H2O(k) ∆H = - 74,6 kJ/mol ∆H = - 393,5 kJ/mol ∆H = - 241,8 kJ/mol 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.2 Hệ định luật Hess  Hệ : Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt sinh chất sản phẩm trừ tổng nhiệt sinh chất tham gia phản ứng (có kể hệ số hợp thức phương trình phản ứng) ∆H = ∑(∆Hs)sp - ∑(∆Hs)tg Ví dụ: 4NH3(k) + 5O2(k) → 4NO(k) + 6H2O(k) Tìm ∆H0 phản ứng biết: ∆Hs(NH = -45,9 kJ/mol, 3(k) ) 0 ∆Hs(H = -241,8 kJ/mol, ∆H s(NO(k) ) = 91,3 kJ/mol O(k) ) 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.2 Hệ định luật Hess  Hệ 3: Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt cháy chất tham gia trừ tổng nhiệt cháy chất sản phẩm (có kể hệ số hợp thức phương trình phản ứng) ∆H = ∑(∆Hc)tg - ∑(∆Hc)sp Ví dụ: Tính ∆H phản ứng: C2H2(k) + 2H2(k) → C2H6(k) Biết ∆Hc0 (C2H2(k)) = -1300 kJ.mol-1, ∆Hc0 (C2H6(k)) = -1560 kJ.mol-1, ∆Hc0 (H2(k)) = -286 kJ.mol-1 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.3 Năng lượng liên kết Độ mạnh liên kết hóa học biểu diễn lượng liên kết, kí hiệu ∆HB ∆H = ∑∆HB(chất phản ứng) - ∑∆HB(chất sản phẩm) Ví dụ: Xác định hiệu ứng nhiệt phản ứng: H2(k) + Cl2(k) → 2HCl(k) Biết: ∆HB(H-H) = 436 kJ.mol-1, ∆HB(Cl-Cl) = 243 kJ.mol-1, ∆HB(H-Cl) = 432 kJ.mol-1 1.5 Định luật Hess hệ 1.5.4 Sự phụ thuộc hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ Nhiệt dung mol đẳng tích (Cv): ∆U = T2 C T1 v dT Nhiệt dung mol đẳng áp (Cp): ∆H2 = ∆H1 + T2 ∆Cp T1 dT Ví dụ: 3H2(k) + N2(k) → 2NH3(k) Tính ∆H phản ứng 400K Biết ∆Hs0 (NH3) = -46,2 kJ/mol khoảng nhiệt độ từ 250K – 450K nhiệt dung mol đẳng áp chất sau: Cp(H2) = 2,91 + 0,002T J/K.mol Cp(N2) = 27,1 + 0,006T J/K.mol Cp(NH3) = 25,5 + 0,032T J/K.mol