›
›

Giáo trình Hóa đại cương - Chương 3: Nhiệt động hóa học

pdf 33 trang huongle 4480
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hóa đại cương - Chương 3: Nhiệt động hóa học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_hoa_dai_cuong_chuong_3_nhiet_dong_hoa_hoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hóa đại cương - Chương 3: Nhiệt động hóa học

  1. CHƯƠNG 3: NHIỆT ĐỘNG HĨA HỌC 1
  2. Nội dung 1. Các khái niệm cơ bản 2. Nguyên lý 1 của NĐLH và hiệu ứng nhiệt của quá trình HH 3. Nguyên lý thứ 2 của NĐLH và chiều quá trình HH 2
  3. 1. Các khái niệm cơ bản 3
  4. Đối tượng nghiên cứu  Nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến hĩa từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Cơ sở của nhiệt động lực học là 2 nguyên lý nhiệt động lực học  Nhiệt động lực học hĩa học là khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến đổi qua lại giữa hĩa năng và các dạng năng lượng khác trong các quá trình hĩa học. 4
  5.  Hệ (nhiệt động ) là phần (trong phạm vi hĩa học) đang được khảo sát về phương diện trao đổi năng lượng và vật chất. Phần cịn lại ở xung quanh là mơi trường ngồi đối với hệ.  Hệ hở  Hệ kín  Hệ cơ lập 5
  6.  Hệ đồng thể là hệ cĩ các tính chất lý hố học giống nhau ở mọi điểm của hệ nghĩa là khơng cĩ sự phân chia hệ thành những phần cĩ tính chất hố lý khác nhau  Hệ dị thể là hệ cĩ bề mặt phân chia thành những phần cĩ tính chất hố lý khác nhau  Hệ cân bằng là hệ cĩ nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ở mọi điểm của hệ và khơng thay đổi theo thời gian 6
  7.  Trạng thái của hệ là tồn bộ các tính chất lý, hố của hệ.  Thơng số trạng thái: Trạng thái của hệ được xác định bằng các thơng số nhiệt động là: nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nồng độ C  Hàm trạng thái là đại lượng nhiệt động cĩ giá trị chỉ phụ thuộc vào các thơng số trạng thái của hệ mà khơng phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ 7
  8.  Quá trình là sự biến đổi xảy ra ở trong hệ gắn liền với sự thay đổi ít nhất 1 thơng số trạng thái  Quá trình xảy ra ở áp suất khơng đổi (P= hằng số) gọi là quá trình đẳng áp  ở thể tích khơng đổi gọi là quá trình đẳng tích  ở nhiệt độ khơng đổi gọi là quá trình đẳng nhiệt  Quá trình thuận nghịch  Quá trình khơng thuận nghịch 8
  9. Nhiệt & Cơng  Nhiệt Nhiệt lượng Q cần dùng để đem m (g) hĩa chất từ lên một khoảng nhiệt độ từ T1 đến T2 Q = m C (T2 - T1 ) C: nhiệt dung riêng 9
  10.  Cơng Cơng thay đổi thể tích A = Pngồi ΔV (ΔV = V2 – V1 ) V1 V2 10
  11.  Quy ước về dấu Nếu hệ tỏa nhiệt Q 0 Nếu hệ nhận cơng A 0 11
  12. 2. Nguyên lý 1 NĐLH & Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hĩa học 12
  13. Nguyên lý 1 NĐLH Q2 , A2 U2 U1 Q , A 1 1 1 2 ΔU = Q - A Trong đó: U = U – U là biến Q3 , A3 Δ 2 1 thiên nội năng của hệ. 13
  14. Nhiệt đẳng tích & Nhiệt đẳng áp Nguyên lý 1 U Q A Q Pngồi V  Nếu quá trình là đẳng tích ΔV = 0 A = 0 U Q v 14
  15.  Nếu quá trình là đẳng áp Pngồi = Pkhí = P U Q A Q U A QP U 2 U1 P(V2 V1) QP (U 2 PV2 ) U1 PV1 Đặt H = U + PV : hàm năng lượng entalpi QP H 2 H1 H 15
  16. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hố học (Nhiệt hĩa học) a. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt) của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền vững nhất trong những điều kiện đã cho về áp suất và nhiệt độ Ví dụ: C (r) than chì + O2 (k) CO2(k) 0 0 ΔH tt (CO2,k) = - 393,51 kJ/mol (ΔH f) 0 Nhiệt tạo thành chuẩn của đơn chất bằng 0: H 298 = 0. 16
  17. b. Nhiệt phân hủy của một hợp chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng phân hủy 1 mol chất đó thành các đơn chất. Ví dụ: H2O (l) → H2 (k) + 1/2O2 (k) 0 ΔH ph (H2O,l) = + 285,84 kJ/mol 17
  18. c. Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất bằng oxy để tạo thành sản phẩm cháy ở áp suất không đổi. Ví dụ: CH4 (k) + 2O2 (k) = CO2 (k) + H2O (l) 0 ΔH đc (CH4,k) = - 212,7 kcal/mol 18
  19. Entanpi của phản ứng 1. Entanpi tỷ lệ với hệ số hợp thức phương trình D CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g) H = -802 kJ D 2CH4(g) + 4O2(g) 2CO2(g) + 4H2O(g) H = -1604 kJ 2. Khi đổi chiều phản ứng thì cũng đổi dấu của entanpi: D CO2(g) + 2H2O(g) CH4(g) + 2O2(g) H = +802 kJ D CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) H = -802 kJ 3. Entanpi phụ thuộc trạng thái D CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(g) H = -802 kJ D CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l) H = -890 kJ 19
  20. Định luật Hess và hệ quả A ΔH X Y H Δ 3 ΔH5 A B ΔH4 Theo định luật Hess H H1 H 2 H3 H 4 H5 20
  21. Hệ quả 1: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành (sinh nhiệt) của các sản phẩm trừ tổng nhiệt tạo thành của các tác chất (cĩ kể các hệ số phản ứng của tác chất) 0 0 0 ΔH 298 = ΣΔH tt (sản phẩm) – ΣΔH tt(tác chất) Ví dụ: Cho phản ứng 0 PCl3 (r) Cl2 (k) PCl5 (r) H 298 131,2kJ Tính sinh nhiệt mol tiêu chuẩn của PCl5 (r), biết sinh nhiệt mol tiêu chuẩn của PCl3(r) là -607,2 kJ/mol 21
  22. Hệ quả 2: Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các tác chất trừ tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm (cĩ kể các hệ số phản ứng của tác chất) ΔH0298 = ΣΔH0đc (tc) – ΣΔH0đc(sp) Ví dụ: CH3COOH (l) + C2H5OH (l) → CH3COOC2H5 (l)+ H2O (l) ΔH0đc - 871,69 - 1366,91 - 2284,05 0 0 ΔH 298 = - 871,69 - 1366,91 + 2284,05 = + 45,45 kJ 22
  23. Hệ quả 3: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng các liên kết bị đứt trừ tổng năng lượng liên kết được ráp. (cĩ kể các hệ số phản ứng của tác chất) 0 ΔH 298 = ΣE(đứt) – ΣE(ráp) Ví dụ: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng: CH 2 CH 2 (k) H 2 (k) CH3 CH3 (k) 0 H 298 4EC H EC C EH H 6EC H EC C 23
  24. Ví dụ: Xác định nhiệt phản ứng cho phản ứng sau: 4NH3(k) + 5O2(k) 4NO(k) + 6H2O(k) Sử dụng hệ phản ứng sau N2(k) + O2(k) 2NO(k) H = 180.6 kJ N2(k) + 3H2(k) 2NH3(k) H = -91.8 kJ 2H2(k) + O2(k) 2H2O(k) H = -483.7 kJ 24
  25. 3. Nguyên lý 2 của NĐLH và chiều quá trình HH 25
  26. Tăng độ xáo trộn, độ mất trật tự Độ tăng entropi S ΔS > 0 ΔS > 0 Rắn Lỏng Khí 26
  27. Entropi S  Entropi là đại lượng đặc trưng cho mỗi trạng thái của hệ  Nĩ biểu diễn độ tự do, xáo trộn, mất trật tự của các phân tử (nguyên tử) trong hệ đang xét. Q S hê T Q  Đối với hệ biến đổi thuận nghịch S hê T Q  Đối với hệ biến đổi khơng thuận nghịch S hê T 27
  28. H 2O(l) H 2O(k) S 0 Cl 2 (k) 2Cl (k) S 0 N 2 (k) 3H 2 (k) 2NH 3 (k) S 0 CaCO 3 (r) CaO (r) CO 2 (k) S 0 28
  29. Biến thiên Entropi của phản ứng hĩa học D So = S So (sản phẩm) - S So (tác chất) (cĩ kể các hệ số phản ứng của tác chất) Ví dụ: Tính biến thiên Entropi tiêu chuẩn của phản ứng: N 2 (k) 3H 2 (k) 2NH 3 (k) 0 S298 (J / mol.K) 192 131 193 0 0 0 0 S298 2S298 (NH3 ) S298 (N2 ) 3S298 (H 2 ) 199(J / K) 29
  30. Kết hợp nguyên lý 1 & 2 NĐHH : CHIỀU PHẢN ỨNG Phương trình cơ bản của NĐHH G H T S ΔG (kJ/mol): thế đẳng nhiệt, đẳng áp (Năng lượng tự do Gibbs) ΔG 0: phản ứng chỉ xảy ra chiều nghịch ΔG = 0: phản ứng đạt cân bằng 30
  31. Ở điều kiện tiêu chuẩn 0 0 0 G298 H 298 T S298 Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của một chất (tinh khiết) là độ biến thiên thế đẳng áp của phản ứng tạo thành một mol chất đĩ từ các đơn chất bền ở điều kiên tiêu chuẩn. 0 Kí hiệu ΔG tt298 0 Đối với đơn chất thì ΔG tt298 được quy ước bằng 0 31
  32. Tính biến thiên thế đẳng áp trong phản ứng hĩa học o o o G pư = S G tt (sp) - S G tt (tác chất) C2H4(k) + H2O(l) C2H5OH(l) D Tính G°pư, cho các giá trị sau D G°tt(C2H5OH(l)) = -175 kJ/mol D G°tt(C2H4(g)) = 68 kJ/mol D G°tt(H2O (l)) = -237 kJ/mol ΔG°pư = – 175 – 68 + 237 = –6 (kJ/mol) 32
  33. Ví dụ: Tính biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩn của phản ứng sau: 2Mg(r) CO2 (k) 2MgO(r) C(gr) 0 Htt298(kJ / mol) 0 -393,5 -601,8 0 0 S298(J / mol.K) 32,5 213,6 26,78 5,69 0 0 0 G298 H 298 T S298 0 H 298 2( 601,8) 1( 393,5) 810,1kJ 0 S298 2(26,78) 5,69 2(32,5) 213,6 219,35J 0 0 0 3 G298 H 298 T S298 810,1 298( 219,35.10 ) 744,7kJ 33