Bài giảng Hóa đại cương - Chương 3: Nhiệt động lực học của các quá trình hóa học

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

CHÖÔNG 3

NHIEÄT ÑOÄNG LÖÏC HOÏC

CUÛA CAÙC QUAÙ TRÌNH

HOÙA HOÏC

1

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

3.1. MOÄT SOÁ KHAÙI NIEÄM CAÀN THIEÁT

• HEÄ (nhieät ñoäng): Heä laø taäp hôïp caùc vaät theå xaùc ñònh

trong khoâng gian naøo ñoù vaø phaàn coøn laïi xung quanh

laø moâi tröôøng.

•Ñoái vôùi hoùa hoïc, heä laø löôïng nhaát ñònh cuûa moät hay

nhieàu chaát ôû ñieàu kieän nhieät ñoä, noàng ñoä vaø aùp suaát

naøo ñoù.

•Caùc loaïi heä: heä hôû, heä kín, heä coâ laäp, heä ñoàng theå,

heä dò theå, pha, heä caân baèng.

2

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

-TRAÏNG THAÙI (nhieät ñoäng): Traïng thaùi cuûa heä ñöôïc

xaùc ñònh baèng taäp hôïp caùc thoâng soá bieåu dieãn caùc tính

chaát lyù hoùa cuûa heä nhö theå tích, khoái löôïng, soá mol,

nhieät ñoä, aùp suaát, thaønh phaàn, naêng löôïng … (thoâng

soá traïng thaùi: goàm Thoâng soá dung ñoä; Thoâng soá cöôøng

ñoä)

Traïng thaùi caân baèng: laø traïng thaùi töông öùng vôùi heä

caân baèng.

-QUAÙ TRÌNH (nhieät ñoäng): Quaù trình: ñaúng aùp, ñaúng

nhieät, ñaúng tích, thuaän nghòch vaø baát thuaän nghòch.

3

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

3.2. NGUYEÂN LYÙ I VAØ HIEÄU ÖÙNG NHIEÄT

3.2.1. Nguyeân lyù I vaø noäi naêng, coâng, hieäu öùng

nhieät:

a. Noäi dung nguyeân lyù 1: Khi cung cấp cho heä

1 löôïng nhieät laø Q thì löôïng nhieät naøy ñöôïc duøng ñeå

taêng noäi naêng U cuûa heä vaø ñeå thöïc hieän 1 coâng A

choáng laïi caùc löïc beân ngoaøi taùc duïng leân heä :

Q = U + A

4

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

b. Noäi naêng U:

- Naêng löôïng toaøn phaàn E cuûa heä bao goàm ñoäng

naêng cuûa toaøn heä (E_ñ), theá naêng cuûa toaøn heä (E_t), noäi

naêng (U) cuûa heä: E = E_ñ+ E_t+ U

Neáu heä khoâng chuyeån ñoäng (E_ñ= 0), töông taùc

cuûa moâi tröôøng ñoái vôùi heä nhoû vaø khoâng ñoåi (E_t= 0)

thì E = U. Nhö vaäy:

- Noäi naêng cuûa heä laø naêng löôïng saün coù beân

trong heä.

5

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

- Noäi naêng laø tính chaát, laø ñaïi löôïng naêng

löôïng xaùc ñònh traïng thaùi cuûa heä, laø thoâng soá dung

ñoä (tæ leä vôùi löôïng chaát).

- Ñoä bieán ñoåi noäi naêng khi heä chuyeån töø traïng thaùi 1

sang traïng thaùi 2:

U = U₂ U₁

- Noäi naêng coù giaù trò khoâng phuï thuoäc vaøo caùch bieán

ñoåi heä (khoâng phuï thuoäc vaøo ñöôøng ñi cuûa quaù trình)

6

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

c. Coâng A: laø coâng choáng laïi caùc löïc beân ngoaøi khi

heä chuyeån töø traïng thaùi 1 sang traïng thaùi 2.

- Löïc beân ngoaøi taùc duïng leân heä: aùp suaát, ñieän

tröôøng, töø tröôøng, söùc caêng beà maët …

- Ñoái vôùi caùc quaù trình hoùa hoïc coâng A chuû

yeáu laø coâng daõn nôû choáng laïi aùp suaát:

v₂

^{A }_v^{Pdv  p(v  v ) = pv}

2

1

7

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

3.2.2. Caùc quaù trình ñaúng tích, ñaúng aùp vaø noäi

naêng, entanpi, hieäu öùng nhieät:

AÙp duïng nguyeân lyù I xeùt caùc quaù trình ñaúng

tích, ñaúng aùp:

a- Quaù trình ñaúng tích, noäi naêng, nhieät ñaúng

tích:

Vì V = const  dV = 0 

A = 0  Q_V= U (Q_V: nhieät ñaúng tích).

Quaù trình ñaúng tích: nhieät naêng thu vaøo duøng ñeå

taêng noäi naêng U cuûa heä.

8

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

b- Quaù trình ñaúng aùp, entanpi, nhieät ñaúng aùp:

Vì P = const  A = PV = P (V₂V₁)

 Q_P= U + PV =(U₂+ PV₂)  (U₁+ PV₁)

Ñaët : U + PV = H  Q_P= H₂ H₁= H.

Q_P: nhieät ñaúng aùp;

H: entanpi;

H: ñoä bieán ñoåi entanpi.

Vậy: Trong quaù trình ñaúng aùp, nhieät naêng thu vaøo

duøng ñeå taêng entanpi H cuûa heä.

9

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

Entanpi laø tính chaát, ñaïi löôïng naêng löôïng

xaùc ñònh traïng thaùi cuûa heä, laø thoâng soá dung ñoä,

khoâng phuï thuoäc vaøo ñöôøng ñi cuûa quaù trình.

10

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

c- Noäi naêng, entanpi vaø hieäu öùng nhieät:

Löôïng nhieät maø heä trao ñoåi (thu vaøo hay phaùt ra)

trong caùc quaù trình ñöôïc duøng ñeå bieán ñoåi noäi naêng

vaø entanpi cuûa heä.

Löôïng nhieät naøy chính laø hieäu öùng nhieät cuûa caùc

quaù trình.

Vaäy hieäu öùng nhieät ñöôïc xaùc ñònh baèng ñoä bieán

ñoåi noäi naêng (U), ñoä bieán ñoåi entanpi (H).

11

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

3.2.3. Hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng hoùa hoïc:

- Ñoái vôùi quaù trình phaûn öùng hoùa hoïc thì löôïng

nhieät trao ñoåi ñoù laø hieäu öùng nhieät cuûa phaûn

öùng hoùa hoïc xaùc ñònh baèng H vì caùc phaûn öùng

hoùa hoïc thöôøng xaûy ra ôû aùp suaát khoâng ñoåi.

12

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

Lieân heä giöõa H vaø U:

 Phaûn öùng chæ coù chaát loûng vaø raén tham gia:

H = U do V  0.

 Phaûn öùng coù chaát khí tham gia:

H = U + PV = U + nRT.

Khi n = 0  H=U;

Khi n  0  H  U.

13

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

- Hieäu öùng nhieät:

Laø ñaïi löôïng dung ñoä,

Khoâng phuï thuoäc vaøo ñöôøng ñi cuûa phaûn öùng,

Trong khoaûng nhieät ñoä khoâng quaù lôùn coù theå xem khoâng

thay ñoåi theo nhieät ñoä.

- Hieäu öùng nhieät tieâu chuaån: ñieàu kieän aùp suaát

rieâng phaàn 1 atm, nhieät ñoä 25^oC vaø ñoái vôùi 1mol chaát;

kyù hieäu:

H^ohay H^o.

298

14

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

- Caùc ñaïi löôïng nhieät taïo thaønh vaø nhieät ñoát

chaùy:

 Nhieät taïo thaønh laø hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng

taïo thaønh 1 mol chaát töø caùc ñôn chaát ôû traïng thaùi töï do

beàn vöõng nhaát.

Nhieät taïo thaønh tieâu chuaån (kyù hieäu H^o) cuûa caùc

298

ñôn chaát beàn ñöôïc quy öôùc baèng khoâng.

Ví duï: Al(r), C(graphit), Cl₂(k) … coù H^o= 0.

298

 Nhieät ñoát chaùy cuûa moät chaát laø hieäu öùng nhieät cuûa

phaûn öùng ñoát chaùy 1 mol chaát ñoù baèng oxi taïo thaønh

caùc

oxit cao beàn ôû ñieàu kieän phaûn öùng

.

15

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

 Nhieät ñoát chaùy (chaát höõu cô) laø hieäu öùng nhieät cuûa

phaûn öùng ñoát chaùy 1 mol chaát höõu cô baèng oxi ñeå taïo

thaønh khí CO₂, nöôùc loûng vaø 1 soá saûn phaåm khaùc.

Nhieät ñoát chaùy tieâu chuaån kyù hieäu: H^o

298

3.2.4. Phöông trình nhieät hoùa hoïc:

-Laø phöông trình phaûn öùng hoùa hoïc coù ghi keøm theo

hieäu öùng nhieät:

Daáu  : phaûn öùng phaùt nhieät (giaûm entanpi),

Daáu + : öùng thu nhieät (taêng entanpi ).

16

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

Kyù hieäu traïng thaùi chaát phaûn öùng vaø saûn phaåm:

r (raén ), l (loûng), k (khí), d (dung dòch), gr (graphit) …

Ví duï:

Zn(r)+2HCl(d) = ZnCl₂(d)+H₂(k), H^o=36,5 kcal/mol

298

C(gr)+H₂O(k) = CO(k)+H₂(k), H^o=+31,4 kcal/mol

298

- Ñieàu kieän xaûy ra phaûn öùng döïa treân hieäu öùng

nhieät:

Ở nhieät ñoä thöôøng phaûn öùng phaùt nhieät coù khaû naêng

töï xaûy ra, coøn phaûn öùng thu nhieät thì khoâng.

17

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

3.2.5. Caùc ñònh luaät nhieät hoùa hoïc vaø heä quaû:

* Ñònh luaät Hess (Gees): Hieäu öùng nhieät

cuûa phaûn öùng hoùa hoïc chæ phuï thuoäc vaøo baûn

chaát vaø traïng thaùi cuûa caùc chaát ñaàu vaø saûn phaåm

cuoái chöù khoâng phuï thuoäc vaøo ñöôøng ñi cuûa quaù

trình, nghóa laø khoâng phuï thuoäc vaøo soá, ñaëc

ñieåm cuûa caùc giai ñoaïn trung gian.

18

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

Ví duï: phaûn öùng chuyeån chaát X thaønh chaát Y

ñöôïc thöïc hieän theo 3 caùch :

 Qua 1 giai ñoaïn: X  Y

 Qua 2 giai ñoaïn: X  A  Y

 Qua 3 giai ñoaïn: X  B  C  Y

Theo ñònh luaät Gess ta coù:

H = H₁+ H₂= H₃+ H₄+ H₅.

19

HOÙA ÑAÏI CÖÔNG

[email protected]m

Chöông 3

A

H₁

H₂

Y

X

H

H₃

H₅

H₄

C

B

20