Chương 1 Hóa đại cương 2 HCMUS

Mục lục
I.

Khái niệm căn bản ........................................................................................................................ 1

II.

Nguyên lý I nhiệt động lực học .................................................................................................... 3

III.

∆U VÀ ∆H : biến thiên nội năng và biến thiên Enthalpy ....................................................... 5

IV.

Định luật Hess ........................................................................................................................... 6

V.

Tính nhiệt phản ứng theo năng lượng nối .................................................................................. 6

Dạng bài tập.......................................................................................................................................... 7

Hóa đại cương 2

Chương 1: Nhiệt Hóa học
Trao đổi năng lượng và biến đổi hóa học
Nội dung:
•
•
•

I.

Một số khái niệm cơ bản
Năng lượng, nhiệt và công
Nguyên lý I nhiệt động lực học và áp dụng vào bài tập.

Khái niệm căn bản

1


• Hệ mở: là hệ có khả năng trao đổi chất (matter) và năng lượng (energy) với môi trường
➢ Ex: Đun sôi nước, đổ ra ly. Nước bốc hơi ( trao đổi chất, làm giảm khối lượng nước, thể tích
nước), khi để ngồi, nước sơi dần nguội đi ( khả năng trao đổi năng lượng, truyền nhiệt ra môi
trường bên ngồi )
• Hệ kín: là hệ có khả năng trao đổi năng lượng nhưng không trao đổi chất với môi trường
➢ Ex: Khi để ly nước sơi ra ngồi, nhưng dung nắp silicon đậy kín => nước bốc hơi nhưng khơng
thốt ra ngồi và đọng lại trên nắp silicon ( khơng có sự thay đổi thể tích, khối lượng) nhưng khi
để ly ngồi thì nhiệt độ của ly giảm vì truyền nhiệt ra mơi trường ( trao đổi năng lượng).
• Hệ cơ lập: là hệ khơng có khả năng trao đổi chất cũng như năng lượng với mơi trường ngồi.
➢ Ex: Bình giữ nhiệt.
• Hệ đồng thể / hệ dị thể: hệ đồng thể là hệ có các tính chất hóa lý như nhau, các chất, dung dịch
khơng phân chia bề mặt. Hệ dị thể ngược lại.
➢ Ex: Dầu ăn và nước => hệ dị thể // trong khơng khí, CO2, O2, N2,..chúng ta khơng thể thấy các
khí phân chia bề mặt với nhau, khơng thể nhìn thấy, khơng thể phân biệt bằng mắt thường,..=>
hệ đồng thể.
• Pha: là phần đồng thể của hệ dị thể, có thành phần cấu tạo, tính chất nhất định và được phân
chia với các phần khác.
➢ Ex: Dầu ăn và nước là hệ dị thể. Trong hệ này có hai pha, pha thứ nhất là dầu ăn, pha thứ hai là
nước.

• Nhiệt lượng ( Heat ): là lượng nhiệt năng trao đổi giữa hệ và môi trường khi nhiệt độ thay đổi (
an energy transferred between surroundings and system as a result of temperature’s change ).
Tuy nhiên, trao đổi nhiệt không chỉ khiến nhiệt độ thay đổi mà cịn có thể thay đổi ln cả trạng
thái của hệ ( các quá trình chuyển pha ). Ví dụ khi đun sơi nước, nhiệt độ tăng và nước biến
thành hơi.
❖ Lưu ý: chúng ta thường hay nói “nhiệt bị mất đi”, “nhận nhiệt” hoặc “hệ truyền nhiệt ra
ngoài”, những nhận định dễ khiến ta lầm tưởng là hệ có nhiệt. Thực tế hệ khơng chứa nhiệt.
Hệ có năng lượng riêng gọi là nội năng. Khi hệ trao đổi năng lượng với mơi trường thì năng
lượng đó sẽ được gọi là nhiệt.
Nhiệt lượng ( the quantity of heat ) phụ thuộc vào các điều sau:
-

Nhiệt độ thay đổi bao nhiêu ?
Lượng chất tham gia phản ứng
Tính chất của chất tham gia phản ứng.

Lượng nhiệt để làm nóng 1 gam chất lên 1 độ C được gọi là nhiệt dung riêng ( molar heat capacity ).
Lượng nhiệt để làm nóng 1 chất nào đó ( 1 hệ nào đó ) lên 1 độ C được gọi là nhiệt dung ( heat capacity)
Nhiệt lượng tính bằng nhiệt dung riêng : Q = m x C x ∆𝑇
Nhiệt lượng tính bằng nhiệt lượng kế: Q = C x ∆𝑇
Phát biểu: trong sự tương tác giữa hệ và môi trường, tổng năng lượng là một hằng số, năng lượng không
tự biến mất cũng như tự tạo thêm. Qsystem= - Qsurroundings

2


•
•
•
•

•
•
•
•

•

II.

Hàm trạng thái: là đại lượng nhiệt động chỉ phụ thuộc vào các giá trị thông số đầu và cuối, không
phụ thuộc vào đường đi.
Trạng thái cân bằng nhiệt động: các tính chất đặc trưng cho hệ khơng thay đổi nồng độ chất
Cân bằng nhiệt: tất cả thành phần của hệ có cùng nhiệt độ.
Cân bằng hóa học: thành phần hóa khơng thể thay đổi, hóa thế của mọi phần tử tạo nên hệ có
giá trị như nhau.
Cân bằng cơ học: tổng các lực trong hệ bằng 0.
Thông số trạng thái ( thông số khuếch độ, dung độ ) không phụ thuộc đường đi, chỉ phụ thuộc
hệ số đầu và cuối, các đại lượng đặc trưng: P,V,T,…
Thơng số q trình ( thơng số cường độ ) có phụ thuộc đường đi, ví dụ: nhiệt q, cơng W,…
Thế năng ( potential energy) và động năng ( kinetic energy): thế năng là một dạng năng lượng
dự trữ, ví dụ việc ta nâng quả bóng lên cao = cho quả bóng một năng lượng dự trữ ( năng lượng
này sẽ phát ra khi ta thả quả bóng xuống đất ) => Thế năng là năng lượng được xác định dựa
trên vị trí, cấu trúc của vật, đồng thời thế năng cịn có nghĩa là năng lượng do tương tác lẫn nhau
giữa các vật thế / giữa các lực hút.
Lượng nhiệt phát ra hay thu vào đều được gọi là hiệu ứng nhiệt: q, biến thiên enthalpy,..

Nguyên lý I nhiệt động lực học

✓ Định luật bảo toàn năng lượng theo nguyên lý I
Định luật bảo toàn năng lượng dựa trên nguyên lý I nhiệt động lực học: Trong phản

ứng trao đổi chất giữa hệ và môi trường, năng lượng là một hằng số ( constant ) –
nó khơng tự sinh ra cũng như tự mất đi, mà nó sẽ chuyển từ năng lượng này sang
năng lượng khác. Ví dụ như động năng và thế năng ( thế năng tăng, động năng
giảm, thế năng giảm động năng tăng ).

Ngoài ra, trong một hệ thống biến đổi theo một chu trình kín, cơng phóng thích ra mơi trường ngồi
bằng một lượng nhiệt hấp thụ từ mơi trường ngồi vào hệ thống, ví dụ như: ngồi lâu trên ghế thì khi
đứng dậy ghế sẽ nóng. Ghế tác động lên ta một lực ( lực nâng ) => sinh cơng, khi đứng dậy, ta sẽ thấy
ghế nóng => ghế nhận nhiệt.
Một hệ chỉ có nội năng. Một hệ khơng có năng lượng nhiệt và cơng. Nhiệt và cơng chỉ là những dạng của
năng lượng/ những phương thức mà hệ dung để trao đổi với môi trường ( nhiệt và công là những thông
số cường độ). Tức là, nhiệt và cơng chỉ tồn tại khi có sự thay đổi của hệ (system contains only internal
energy. Asystem does not contain energy in the form of heat or work. Heat and work are the
means by which a system exchanges energy with its surroundings. Heat and work exist
only during a change in the system. )

3


▪

Nội năng U và biến thiên nội năng

Trong trường hợp tổng quát, năng lượng E của một hệ trong môi trường ngoài gồm 3 thành phần: động
năng ( chuyển động ), thế năng ( tương tác với mơi trường ngồi, ví dụ như quả táo trên cây tương tác
với lực hút của trái đất ) và năng lượng sẵn có bên trong hệ
E = Ed + Et + U
Trong trường hợp hệ ở trạng thái không chuyển động, tương tác với mơi trường thì năng lượng của hệ
là E = U.
Vậy biến thiên nội năng là có sự thay đổi bên trong hệ, ví dụ như từ rắn sang lỏng là có sự thay đổi cấu

trúc của hệ.
∆𝑈 = 𝑈 𝑠𝑎𝑢 − 𝑈 đầ𝑢
Nội năng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, lượng chất, bản chất, thể tích và thành phần của hệ. Nhưng
đối với hệ gồm n mol khí lý tưởng, nội năng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ vì áp suất và thể tích khơng ảnh
hưởng lên thế năng của hạt. ( vì trạng thái khí lý tưởng là bỏ qua sự tương tác giữa chúng, mà thế năng
là dạng năng lượng phải có sự tương tác giữa các vật thể với nhau => PV = nRT công thức khí có phụ
thuộc vào V và P, chúng khơng ảnh hưởng tới thế năng của hệ ).
Câu hỏi: Tại sao nội năng của vật ở trạng thái rắn thì phụ thuộc vào thể tích và nhiệt độ của vật, cịn ở
trạng thái khí lí tưởng thì chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, khơng phụ thuộc vào thể tích ?
Nhiệt độ của vật liên quan đến vận tốc chuyển động của các phân tử ( nhiệt độ càng cao phân tử chuyển
động càng hỗn loạn ), nghĩa là liên quan đến động năng phân tử, cịn thể tích của vật liên quan đến
khoảng cách giữa các phân tử, nghĩa là liên quan đến lực tương tác phân tử và thế năng phân tử. Đối với
chất rắn thì lực tương tác phân tử rất lớn nên thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật là đáng kể vì vậy
nội năng của vật vừa phụ thuộc vào nhiệt độ, vừa phụ thuộc vào thể tích ; cịn đối với khí lí tưởng vì lực
tương tác phân tử là khơng đáng kể, nên thế năng phân tử là không đáng kể, vì vậy nội năng chỉ phụ
thuộc nhiệt độ, khơng phụ thuộc thể tích.

▪

Cơng A ( hoặc ký hiệu là W )

4


Là cơng mà hệ thực hiện trong q trình hệ chuyển từ trạng thái 1 sang 2 để chống lại các lực bên ngoài
tác dụng lên hệ như áp suất, điện trường, từ trường,…
Q trình đẳng tích: A = 0
Q trình đẳng áp: A = W = P x ∆𝑉 ( nếu là quá trình ngưng tụ thì delta V = 0 )
Nếu q trình xảy ra trong hệ khí lý tưởng, T = const thì P∆V = ∆nRT
Quá trình đẳng nhiệt xảy ra trong hệ khí lý tưởng ( T = const ) và P1 x V1 = P2 x V2

 A = nRT x lnP1/P2 = nRT x lnV2/V1

III.
•

∆U VÀ ∆H : biến thiên nội năng và biến thiên Enthalpy
Biến thiên Enthalpy

Là lượng nhiệt tỏa ra hay thu vào trong quá trình đẳng áp
 ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃∆𝑉 = 𝐻2 − 𝐻1
Nếu trong trường hợp khí lý tưởng ( vì khí lý tưởng là bỏ qua sự tương tác giữa các phân tử khí mà việc
thay đổi thể tích có ảnh hưởng tới sự tương tác giữa chất khí nên delta V bằng 0), đẳng nhiệt thì: ∆𝐻 =
0
∆𝑉 = ∑ 𝑉𝑠𝑝 − ∑ 𝑉𝑡𝑐
Ví dụ trong một phương trình: aA + bB => cC + dD thì ∆𝑉 = ( 𝑐𝑉𝑐 + 𝑑𝑉𝑑 ) − ( 𝑎𝑉𝑎 + 𝑏𝑉𝑏)
Đối với q trình có chất phản ứng hay sản phẩm ở thể khí và xảy ra ở áp suất thấp ( được xem gần với
khí lý tưởng ) thì có thể kết hợp biểu thức của biến thiên enthalpy và phương trình trạng thái khí lý
tưởng
 ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆𝑛 𝑅𝑇
ở đây ∆𝑛 = ∑ 𝑛(𝑠𝑝) − ∑ 𝑛(𝑡𝑐)
Ví dụ như phản ứng tổng quát aA (k) + bB (r) => cC (k) + dD (k) thì ∆𝑛 = (𝑛𝐶 + 𝑛𝐷 ) − 𝑛𝐴
Enthalpy tỉ lệ thuận với khối lượng chất
Đổi chiều phản ứng, dấu của enthalpy thay đổi
Enthalpy ở trạng thái tiêu chuẩn ∆𝐻°
Thường quy về T = 25° C, ký hiệu là ∆𝐻°
•

Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp

Nhiệt dung mol ở P = const thì gọi là nhiệt dung mol đẳng áp, ký hiệu là Cp.

Nhiệt dung mol ở V = const thì gọi là nhiệt dung mol đẳng tích, ký hiệu là Cv.
Đối với khí lý tưởng: Cp = Cv + R
Đối với chất rắn và lỏng thì hai đại lượng này có giá trị gần ngang nhau.
5


Trong khoảng nhiệt độ ( T2 – T1 ) không lớn thì xem hai đại lượng này khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, khi
đó đối với n mol chất ta có:
Qp = ∆𝐻 = 𝑛 𝐶𝑝 (𝑇2 − 𝑇1)
Qv = ∆𝑈 = 𝑛 𝐶𝑣 (𝑇2 − 𝑇1)

IV.

Định luật Hess

Nhiệt hình thành ( sinh nhiệt, sinh nhiệt mol chuẩn, sinh nhiệt chuẩn thức ∆𝐻°𝑓)
 Nhiệt hình thành của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng để tạo thành 1 mol chất đó từ các
đơn chất ở trạng thái bền vững nhất.
Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn ( thiêu nhiệt, hiệu ứng nhiệt của phản ứng cháy ∆𝐻°𝑐 )

✓
✓
✓

Thiêu nhiệt là biến thiên enthalpy của 1 mol chất khi cháy hoàn tồn trong đktc.
Nhiều chất khơng có nhiệt đốt cháy
Sản phẩm cuối của sự cháy như CO2, O2,.. có thiêu nhiệt = 0
Thiêu nhiệt ln âm ( vì là phản ứng tỏa nhiệt ), trị tuyệt đối luôn lớn hơn nhiệt hình thành.

Nếu phản ứng xảy ra nhiều giai đoạn thì biến thiên enthalpy của phản ứng bằng tổng biến thiên

enthalpy của các phản ứng thành phần và chỉ phụ thuộc vào bản chất, trạng thái của hệ, đầu và cuối,
chứ không phụ thuộc vào đường đi.
Hệ quả 1: Nhiệt phân hủy của 1 chất = Nhiệt hình thành của hợp chất đó nhưng ngược dấu
Hệ quả 2: Hiệu ứng nhiệt bằng tổng nhiệt hình thành sản phẩm trừ đi tổng nhiệt hình thành tác chất
Hệ quả 3: Hiệu ứng nhiệt bằng tổng thiêu nhiệt của tác chất trừ tổng thiêu nhiệt sản phẩm.

V.

Tính nhiệt phản ứng theo năng lượng nối

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng năng lượng các liên kết bị đứt trừ tổng năng lượng liên kết được
ráp

6


Năng lượng nối EAB của liên kết A – B là năng lượng được giải phóng (tỏa nhiệt) khi hình thành
phân tử AB từ hai nguyên tử A và B ở thể khí ( E< 0 )
Năng lượng phân ly liên kết DA-B là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ liên kết A -B (thu nhiệt),
tách rời hai nguyên tử A – B riêng biệt ( D > 0 )
∆𝐻° = ∑ 𝐸 𝑟á𝑝 𝑛ố𝑖 − ∑ 𝐸 𝑐ắ𝑡 𝑛ố𝑖 = ∑ 𝐷 𝑐ắ𝑡 𝑛ố𝑖 − ∑ 𝐷 𝑟á𝑝 𝑛ố𝑖
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu ứng nhiệt phản ứng:
∆𝐻2 = ∆𝐻1 + 𝑛 𝐶𝑝 (𝑇2 − 𝑇1)
∆𝐶𝑃 = ∑ 𝐶𝑝(𝑠𝑝) − ∑ 𝐶𝑝(𝑡𝑐)

Dạng bài tập
Dạng 1: Nhiệt
lượng

Dạng 2: Công

Dạng 3: Nội
năng U

Dạng 4: Enthalpy

Dạng 5: Định luật Hess

Q = 𝑚 𝑥 𝐶 𝑥 ∆𝑡
m: khối lượng
C: nhiệt dung
riêng
∆𝑡: biến thiên
nhiệt độ
Qhệ thống = - Qmôi

W = A = 𝑃 𝑥 ∆𝑉
Hoặc A =
∆𝑛 𝑥 𝑅 𝑥 𝑇 (chỉ
áp dụng cho
phản ứng khí lý
tưởng)
(W > 0: nhận
cơng, W < 0:
sinh công)
1atm.1l =
1,1325 Jun
1bar.1l = 100
Jun

∆𝑈 = 𝑞 + 𝑊
Q: nhiệt lượng
W: công

∆𝐻° = ∑ 𝐻°𝑓𝑠𝑝 − ∑ 𝐻°𝑓𝑡𝑐

∆𝐻 𝑡ổ𝑛𝑔 ( 𝑛ℎ𝑖ề𝑢 𝑔𝑖𝑎𝑖 đ𝑜ạ𝑛)

trường

Q ( tính theo
phương pháp
nhiệt lượng kế ) =
𝐶 𝑥 ∆𝑡 (C là nhiệt
dung, CH2O = 4,18
J/°𝐶)

∆𝐻° = ∑ 𝐻°𝑐(𝑡𝑐) − ∑ 𝐻°(𝑠𝑝)
∆𝐻° = ∑ 𝐸(𝑠𝑝) − ∑ 𝐸(𝑡𝑐) (E<0)
∆𝐻° = ∑ 𝐷(𝑡𝑐) − ∑ 𝐷(𝑠𝑝) (D>0)
EA
∆𝐻 của đơn chất ở trạng thái bền
là 0
Trạng thái bền (Các nguyên tố
hoặc hợp chất ở trạng thái vật lý
(thể) bình thường)
• Chất rắn: dạng đa hình
bền
• Chất khí: khí lý tưởng
• Chất trong dd: C=1mol/l

7

= ∑ 𝐻(𝑡ℎà𝑛ℎ 𝑝ℎầ𝑛)
𝐴 + 𝐵 => 𝐶 + 𝐷 ∆𝐻°1
𝑎 × 𝐴 + 𝑎 × 𝐵 => 𝑎 × 𝐶 + 𝑎 × 𝐷
∆H2= 𝑎 × ∆𝐻1


•

Áp suất chuẩn là 1bar (
101,325kPa)
• Chất tinh khiết và ở trạng
thái liên hợp bền
• Nhiệt độ chuẩn có thể ở
nhiệt độ bất kí
∆𝐻 < 0: 𝑡ỏ𝑎 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡
∆𝐻 > 0: 𝑡ℎ𝑢 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡

8