Hóa đại Cương Chuong 6 Nhiệt Hóa Học - Tài Liệu Text - 123doc

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.doc) (7 trang)

Trang chủ

Giáo án - Bài giảng

Cao đẳng - Đại học

hóa đại cương chuong 6 nhiệt hóa học

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (509.3 KB, 7 trang )

Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchCHƯƠNG VI :Nguyễn sơnNHIỆT HÓA HỌCI. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN :1. Khái niệm về nhiệt động học , nhiệt động hóa học , nhiệt hóa học và nhiệtphản ứng:Vật chất không ngừng chuyển động , mọi quá trình chuyển động đều đi kèm theosự biến đổi năng lượng. Để nghiên cứu quá trình chuyển động của vật chất cần nghiêncứu các qui luật biến đổi giữa các dạng năng lượng với nhau.a. Nhiệt động học (Thermodynamics): là môn học nghiên cứu sự chuyển hóa tươnghỗ giữa tất cả các dạng năng lượng với nhau, đặc biệt là những qui luật có liên quantới các biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác.Cơ sở lý thuyết của Nhiệt động học là 3 nguyên lý I, II và III. Trong đó quantrọng nhất là nguyên lý I và II.b. Nhiệt động hóa học (Chemical thermodynamics): là một nhánh của nhiệt độnghọc nghiên cứu các qui luật về sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và các dạngnăng lượng khác trong các quá trình hóa học.c. Nhiệt hóa học (Thermo chemistry): là môn học chuyên nghiên cứu sự chuyểnhóa giữa hóa năng và nhiệt năng, nghĩa là chuyển năng lượng của phản ứng hóa họcthành nhiệt năng.d. Nhiệt phản ứng (hay còn gọi hiệu ứng nhiệt của phản ứng): là lượng nhiệt đi kèmtheo một phản ứng dưới dạng thu vào hay phát ra . Người ta phân biệt :• Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng áp ( P = const): ký hiệu ΔH .• Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng tích ( V= const): ký hiệu ΔU.Quy ước về dấu : * quá trình phát nhiệt có ΔH , ΔU < 0 .* quá trình thu nhiệt có ΔH , ΔU > 0 .(Δ = trạng thái cuối – trạng thái đầu )2. Khái niệm về hệ , trạng thái , quá trình :a. Hệ (nhiệt động): là lượng xác định của một hay nhiều cấu tử ở điều kiện nhiệt độ,áp suất và nồng độ xác định. Phần còn lại bao quanh hệ được gọi là môi trường.Các loại hệ:• Hệ hở: hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường ngoài.• Hệ kín: hệ không trao đổi chất mà chỉ trao đổi năng lượng với môi trường.• Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường ngoài.• Hệ đồng thể : tất cả các cấu tử trong hệ cùng một pha hay là không có bề mặtphân chia giữa các cấu tử . Hệ đồng thể có các tính chất hóa, lý giống nhau ởmọi điểm trong hệ.37Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchNguyễn sơn• Hệ dị thể: các cấu tử trong hệ khác pha hay là có bề mặt phân chia giữa các cấutử ( các chất cùng một trạng thái rắn , lỏng , khí vẫn có thể khác pha , thí dụ hỗnhợp dầu hỏa và nước ).b. Trạng thái (nhiệt động) của hệ và thông số trạng thái, hàm trạng thái:• Trạng thái của hệ được xác định bằng tập hợp các đại lượng đặc trưng cho cáctính chất hoá lý của hệ như nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành phần, năng lượng…Cácđại lượng nói trên là các thông số trạng thái. Trạng thái của hệ sẽ biến đổi khi có ítnhất một thông số trạng thái biến đổi.• Thông số trạng thái được chia làm hai loại:*Thông số dung độ: tỷ lệ với lượng chất của hệ như: số mol n, khối lượngm, thể tích V , năng lượng E, … Các thông số dung độ có tính cộng (có nghĩa là cộngđại lượng này của các chất thành phần thì bằng đại lượng này của hỗn hợp )*Thông số cường độ: không tỷ lệ với lượng chất của hệ như: nhiệt độ T, tỷkhối d, nồng độ C, khối lượng riêng ρ, thể tích mol … Các thông số cường độ khôngcó tính cộng.• Hàm trạng thái là hàm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái. Hàmtrạng thái có giá trị chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ chứ khôngphụ thuộc vào cách biến đổi của hệ (nghĩa là không phụ thuộc vào đường đi củaquá trình). Nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nội năng U, enthalpy H, entropy S,thế đẳng áp G … là những hàm trạng thái .*Lưu ý: “Thông số trạng thái” khác với “thông số quá trình”. Thông số quá trình làcác thông số phụ thuộc vào đường đi của quá trình (như nhiệt Q ,công A…)•Để tiện so sánh, đối chiếu, lập dữ liệu ,các đại lượng nhiệt độngđược quy ước ở điều kiện chuẩn của nhiệt hoá như sau:o Chất phải tinh khiết và ở trạng thái tập hợp bền dưới p và T chuẩn.o Chất rắn phải ở trạng thái đa hình bền ở điều kiện p và T chuẩn.o Chất khí phải là khí lý tưởng (ở p chuẩn).o Chất trong dung dịch thì nồng độ phải là 1 mol/l.o Áp suất chuẩn là 1 atm (101,325kPa )o Nhiệt độ chuẩn có thể là bất kỳ, tuy nhiên thường lấy là 298,15oK (25°C)•Trạng thái cân bằng: là trạng thái có giá trị của các thông số trạngthái ở mọi điểm của hệ phải như nhau và không thay đổi theo thời gian.c. Quá trình (nhiệt động): khi một hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khácngười ta nói hệ thực hiện một quá trìnho Quá trình đẳng áp: p = consto Quá trình đẳng tích: V = consto Quá trình đẳng nhiệt: T = const38Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchNguyễn sơno Quá trình đoạn nhiệt : Q = const. Hệ không trao đổi nhiệt song có thểtrao đổi công với môi trường xung quanh.o Chu trình :là quá trình biến đổi hệ qua một số giai đoạn đưa hệ đến trạngthái cuối trùng với trạng thái đầu.II. NGUYÊN LÝ I VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT:1. Nguyên lý I nhiệt động học và hiệu ứng nhiệt:a. Nguyên lý I nhiệt động học:• Nguyên lý I nhiệt động học chính là một cách phát biểu khác của định luật bảotoàn năng lượng: “ Không có một dạng năng lượng nào tự sinh ra hoặc tự mất đi,chúng chỉ được chuyển từ hoặc chuyển thành một dạng năng lượng khác với lượngphải được bảo toàn ”• Phát biểu nguyên lý I: Khi cung cấp cho hệ một lượng nhiệt Q thì lượng nhiệtnày dùng làm tăng nội năng U của hệ và giúp hệ thực hiện một công A chống lạicác lực bên ngoài tác động lên hệ.• Biểu thức toán học:Với :Q = ΔU + AA = ∫ PdV• Công A là công do hệ thực hiện trongquá trình chuyển từ trạng thái 1 sang trạngthái 2 để chống lại các lực bên ngoài tácđộng lên hệ như : áp suất, điện trường, từtrường, sức căng bề mặt…• Quy ước về dấu:Hệ nhận công : A < 0;Hệ sinh công : A > 0Quá trình đẳng tích (∆V=0)Công dãn nở A = 0QV = ∆UQuá trình đẳng ápCông dãn nở A = P.∆VQp = ∆U + P.∆Vb. Nội năng U:• Nội năng U của hệ là năng lượng sẵn có, tìm ẩn bên trong hệ, bao gồm: nănglượng của chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, chuyển động dao động củanguyên tử, phân tử, hạt nhân, e trong hệ; năng lượng tương tác hút đẩy của cácphân tử, nguyên tử, hạt nhân, e, năng lượng bên tronghạt nhân. Nói tóm lại, U là năng lượng toàn phần củahệ trừ động năng và thế năng của toàn hệ.• Nội năng U là hàm trạng thái, là thông số dung độ, đượcđo bằng đơn vị năng lượng (J/mol; cal/mol). U phụ thuộcvào bản chất, lượng chất, T, P, V, thành phần của hệ.• Người ta không thể xác định được chính xác tuyệt đối giá trị nội năng của hệ tạimột trạng thái (vì không thể đưa hệ về nhiệt độ 0 tuyệt đối), nhưng dựa vào năng39Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchNguyễn sơnlượng phát ra hay thu vào của hệ người ta có thể suy ra một cách chính xác độ biếnthiên nội năng ∆U của hệ khi hệ chuyển trạng thái :∆U = U2 – U1 = Qvc. Enthalpy H:• Đối với quá trình đẳng áp ta có:Qp = ∆U +P∆V=(U2 – U1) + P(V2 – V1)=(U2 + PV2) – (U1 + PV1)=H2 – H1 = ∆HVới: H = U + PV. H được gọi là enthalpy và cũng là một hàm trạng thái củahệ. H bao gồm nội năng U và khả năng sinh công tiềm ẩn A của hệ. Vậy H là nănglượng dự trữ toàn phần của hệ. Đơn vị đo của H: kJ/mol hay kcal/mol.2. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hóa:a.Hiệu ứng nhiệt:Vậy: Hiệu ứng nhiệt của quá trình đẳng tích là ∆U.Hiệu ứng nhiệt của quá trình đẳng áp là ∆H. Với:∆H = ∆U +P∆V* Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn kí hiệu ∆H0298 ; hoặc∆H0 nếu không chú ý đến T.* Quan hệ giữa ΔH và ΔU :•Trong các phản ứng chỉ có chất lỏng và chất rắn tham gia hoặc phảnứng xảy ra ở trạng thái dung dịch thì ∆V có giá trị không đáng kể. Do đó khi quátrình này được thực hiện ở áp suất thấp (áp suất khí quyển) thì P∆V ≈ 0 nên ∆H ≈ ∆U.•Trong các phản ứng có sự tham gia của pha khí, giả sử khí lý tưởng, tacó:PV = nRTSuy ra :P∆V =∆n.RT (Điều kiện đẳng nhiệt , đẳng áp )∆H = ∆U +∆n.RTNên:Khi ∆n = 0=> ∆H =∆UVới: { ∆n = ∑n khí (SẢN PHẨM) -∑n khí (CHẤT ĐẦU) }R = 1,987cal/mol 0K = 8,314 J/mol0Kb. Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn:• Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của một chất (∆H0298 tt hay ∆H0298 f )là hiệu ứng nhiệtcủa phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất bền vững nhất ở điều kiện tiêuchuẩn (25°C,1atm).TD: C(graphit) + O2(k) → CO2(k) ; ∆H0298 = -393,51 kJ.∆H0298 tt CO (k) = -393,51 kJ.mol-1=>240Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchNguyễn sơn• Quy ước: Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn của các đơn chất bền (ví dụ: Cl2 khí, Br2lỏng, I2 rắn, C graphit, S tà phương ,P đỏ...) bằng 0.• Nhiệt tạo thành của các chất có giá trị càng âm thì càng bền.c. Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn:• Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn của một chất (∆H0298 đc hay ∆H0298 b ) là hiệu ứng nhiệtcủa phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó bằng oxy vừa đủ để tạo thành các chất bền vữngnhất ở điều kiện tiêu chuẩn (250C, 1 atm ).• Đối với các chất hữu cơ, nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy1 mol chất hữu cơ bằng oxy vừa đủ tạo thành khí CO 2, nước lỏng và một số sản phẩmkhác ( N2 , X2 , HX...)TD:C2H6 (k) + 3,5 O2 (k) → 2 CO2 (k) + 3H2O (ℓ) , ∆H0298 = -1558,39 kJ.∆H0298 đc C2H6 (k) = -1558,39 kJ.mol-1• Như vậy có một số phản ứng vừa là đốt cháy chất này cũng vừa là sinh ra chấtkia, nên :TD:∆H0298 đc C(graphit) = ∆H0298 tt CO (k) ; ∆H0298 đc H2(k) = ∆H0298 tt H2O(l)2* Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn và nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn là các đại lượng tra bảng.d. Phương trình nhiệt hóa và chiều diễn ra của các quá trình hoá học:• Phương trình nhiệt hóa là phương trình phản ứng hóa học thông thường có ghikèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp, dạng thù hình của các chất.• Có thể xử lý các phương trình nhiệt hóa như những phương trình đại số(cộng, trừ, nhân với một hệ số, đổi chiều ...thì ∆ H cũng chịu cùng cách xửlý)TD: Cho: (1)(2)Tính: (3)C(graphit) + O2(k) →CO2(k) ,∆H0298 (1)C(graphit) +1/2 O2(k) →CO(k) , ∆H0298 (2)∆H0298 (3)= ?2CO(k) + O2(k) →2CO2(k) ,Nhận xét: [(1) – (2)]2 = (3) => ∆H0298 (3) = 2[∆H0298 (1) - ∆H0298 (2)]* Dự đoán chiều hướng diễn ra của phản ứng hóa học: ở điều kiện nhiệt độ thấp,phản ứng phát nhiệt (∆H < 0) là phản ứng có khả năng xảy ra tự phát.TD:Zn(r) + 2HCl(dd) → ZnCl2(dd) + H2(k),½ H2(k) + ½ Cl2(k) → HCl(k),C(graphit) + H2O(k) → CO(k) + H2(k),∆H0298 = -152.6kJ∆H0298 = -92,8kJ∆H0298 = +131,3 kJChú ý: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng tỷ lệ với lượng chất của phản ứngTD:H2(k) + Cl2(k) → 2 HCl(k)∆H0298 = - 185,6kJ3. Các định luật nhiệt hóa và hệ quả41Chương VI: Nhiệt hóa họcBạchNguyễn sơna. Định luật Lavoisier – La Place:Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuậnnhưng trái dấu.Ví dụ:½ H2(k) + ½ I2(k) → HI (k)∆H0298 = +26,48 kJHI (k) → ½ H2(k) + ½ I2(k)∆H0298 = -26,48 kJb. Định luật Hess(1840) và chu trình Born -Haber:Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng tháicủa các chất đầu và cuối mà không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa làkhông phụ thuộc vào số lượng và đặc điểm của các giai đoạn trung gian.Nói cách khác: nếu có nhiều cách biến đổi hệ từ trạng thái đầu sang trạng cuốithì tổng hiệu ứng nhiệt của mỗi cách phải bằng nhau.c. Các hệ quả:• Hệ quả 1: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của các sảnphẩm trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu.∆H0298 PƯ = ∑ ∆H0298 tt (SẢN PHẨM) - ∑ ∆H0298 tt (CHẤT ĐẦU)• Hệ quả 2: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của các chấtđầu trừ đi tổng nhiệt đốt cháy của các sản phẩm phản ứng.∆H0298 PƯ = ∑ ∆H0298 đc (CHẤT ĐẦU) - ∑ ∆H0298 đc (SẢN PHẨM)• Hệ quả 3: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng liên kết trongcác chất đầu trừ tổng năng lượng liên kết trong các sản phẩm.∆H0298 PƯ = ∑Elk (CHẤT ĐẦU) - ∑Elk (SẢN PHẨM)2CH4(k) → C2H2(k) + 3H2(k) ; ∆H0298 x = ?TD:* ∆H0298 x = ∆H0298 tt C2H2(k) - 2∆H0298 tt CH4(k)* ∆H0298 x = 2∆H0298 đc CH4(k) - ∆H0298 đc C2H2(k) - 3∆H0298 đc H2(k)* ∆H0298 x = 2∆H0298 đc CH4(k) - ∆H0298 đc C2H2(k) - 3∆H0298 tt H2O(l)* ∆H0298 x = 8EC─H – EC≡C – 2EC─H – 3EH─H* Áp dụng định luật Hess và hệ quả:TD1: Cho : (1)C(graphit) + O2(k) → CO2(k) ,∆H0298(1)= -393,5 kJ(2)CO(k) + ½O2(k) → CO2(k) ,∆H0298(2)= -283,0 kJTính ∆H0298 tt CO(k) ?Giải: Lấy (1) – (2) ta được:∆H0298 tt CO(k)C(graphit) + ½ O2(k) → CO(k)= -393,5 -(- 283,0) = -110,5 kJ/molTD2: Phản ứng phân hủy đá vôi CaCO3 :CaCO3 (r ) → CaO(r)+CO2(k)42Chương VI: Nhiệt hóa họcBạch∆H0298 tt (kJ/mol)Nguyễn sơn-1206.9-635.5-393.5=> ∆H0298 = (-635.5 - 393.5) - (-1206.9) = + 177.9 kJ.TD3: Tính năng lượng liên kết O─H trong phân tử H2O, biết:2H(k) + O(k) → H2O(k), ∆H0 = -924.2 kJ => Ephân ly H2O= 924.2 kJ/molTheo cấu trúc phân tử thì trong H 2O có 2 liên kết O─H, nên năng lượng liên kết sẽ là:EO─H = ½ Ephân ly H2O= ½(924.2) = 462,1 kJ.4. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ - Nhiệt dung:a) Nhiệt dung:• Nhiệt dung của một chất là nhiệt lượng cần cung cấp để nâng nhiệt độ của chấtđó lên thêm 10C.• Nhiệt dung riêng – nhiệt dung mol là nhiệt dung tương ứng với 1 gam hay 1mol chất. Nếu xét hệ ở điều kiện đẳng áp hoặc đẳng tích, ta có nhiệt dung mol đẳng áp(Cp) hoặc nhiệt dung mol đẳng tích (Cv). Đơn vị đo: J/mol.K hoặc cal/mol.KCp =dQ pdTQp = ∆HCp =d∆HdTCV =dQVdTQV = ∆ UCV =d∆UdT• Đối với các khí lý tưởng: Cp – CV = R.b) Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ: được thể hiện bằng phương trìnhT2Kirchhoff:∆H 2 = ∆H1 + ∫ ∆C p dTT1Nếu khoảng nhiệt độ thay đổi không lớn lắm có thể coi Cp không phụ thuộc vàonhiệt độ , lúc đó phương trình có dạng:∆H2 = ∆H1 + ∆Cp (T2-T1)Với:∆Cp = ∑Cp(sản phẩm) - ∑Cp(chất đầu)TD: Tính ∆H0398 của phản ứng : CO(k) + ½O2(k) → CO2(k) ,biết ∆H0298 = -283,0 kJ vànhiệt dung mol đẳng áp của các chất CO, O2 và CO2 lần lượt là Cp= 6,97; 7,05; và8,96 cal/moloK.Giải:=>∆Cp = 8,96 – 6,97 – ½.7,05 = -1,535 cal/K = - 6,42 J/K∆H0398= ∆H0298 +∆Cp (398 – 298)= -283,0 – 0,642 = - 283,642 kJNhận xét: Khi nhiệt độ tăng, ΔH của phản ứng tăng không đáng kể. Do đó, nếu khoảngnhiệt độ thay đổi không lớn lắm, một cách gần đúng, có thể xem ΔH của phản ứngkhông phụ thuộc vào nhiệt độ : ∆H0T ≈ ∆H0298 .43

Tài liệu liên quan

Tin hoc dai cuong chuong 6
- 27
- 359
- 0
Tài liệu GIS ĐẠI CƯƠNG - Chương 6: TRUY VẤN DỮ LIỆU ppt
- 21
- 920
- 4
bài giảng môi trường đại cương chương 6 quản lý môi trường
- 37
- 556
- 1
bài giảng môn hóa đại cương chương iii nhiệt động hóa học - nguyễn văn hiền
- 33
- 1
- 1
bài giảng vật lí đại cương chương 2 - động lực học chất điểm
- 24
- 4
- 6
bài giảng vật lí đại cương chương 3 - động lực học hệ chất điểm, động lực học vật rắn
- 21
- 3
- 1
bài giảng vật lí đại cương - chương 13 thuyết động học phân tử các chất khí và định luật phân bố
- 27
- 1
- 1
Hải dương học đại cương - Chương 6 doc
- 26
- 327
- 0
Bài giảng TÂM LÝ HỌC ĐẠI CƯƠNG - Chương 6 docx
- 36
- 3
- 33
LÝ SINH ĐẠI CƯƠNG - CHƯƠNG VII QUANG SINH HỌC pps
- 43
- 1
- 12