Bài giảng chương 4 nhiệt động hóa học

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
HÓA HỌC

Chương 4: NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

LOGO
Slide 1
of 48


Nhiệt động hóa học
I. Giới thiệu
II. Các khái niệm cơ bản
III. Nguyên lý 1 của nhiệt động học
IV. Áp dụng nguyên lý 1 của nhiệt động
học vào phản ứng hóa học
V. Nhiệt dung
Slide 2 of 48


I. GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT ĐỘNG HỌC
Nhiệt động hóa học là gì?:
 Nhiệt động học: Môn khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao
đổi năng lượng, đặc biệt những quy luật liên quan tới sự biến đổi nhiệt
năng thành các dạng năng lượng khác
 Môn khoa học ứng dụng nhiệt động học vào hoá học là nhiệt động hoá
học.
Nhiệt động học cho phép tính được:
+ Năng lượng trao đổi trong phản ứng;
+ Tiên đoán chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của các phản ứng hóa
học;

+ Xác định được hiệu suất của phản ứng;
+ Điều kiện cân bằng và các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến cân bằng.

Slide 3 of
48


II. KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC

2.1 Đối tượng cần nghiên cứu là hệ,
phần còn lại của thế giới là môi
trường.
2.2 Phân loại; 4 loại chính:
Dòng năng lượng trao đổi
Hở

Kín

Cô Lập

Dòng vật chất trao đổi
Slide 4 of 48


V2
V1

Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi chất và nhiệt
nhưng có thể trao đổi công với MT ngoài.
Slide 5 of 48

2.3 Trạng thái của hệ và thông số ( tham số) trạng
thái

 Trạng thái của hệ được xác định thông qua tập hợp các tính
chất lý, hoá của hệ.

Thông số trạng thái: Trạng thái của hệ được xác định bằng các
thông số (tham số) là: nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nồng độ
C…
Có 2 loại thông số trạng thái
+ Thông số cường độ: Không phụ thuộc vào lượng chất : như
nhiệt độ, tỉ khối, áp suất…
+ Thông số dung độ: là những thông số phụ thuộc vào lượng
chất: khối lượng, số mol, thể tích…
Phương trình trạng thái mô tả tương quan giữa các thông số
trạng thái

Slide 6 of 48


2.4. QUÁ TRÌNH
 Quá trình: Mọi sự biến đổi trạng thái thể hiện ở sự thay đổi ít nhất một
trong các thông số trạng thái.

- Quá trình được gọi là thuận nghịch nếu được xem như là dãy của
các trạng thái cân bằng.

Khi chuyển sang trạng thái cân bằng kế tiếp các thông số trạng thái

chỉ thay đổi đi một lượng vô cùng nhỏ, và cũng chỉ khác thông số trạng
thái của môi trường một lượng vô cùng nhỏ. Đây là quá trình lý tưởng.

- Ngược lại là quá trình bất thuận nghịch. Các quá trình tự xảy ra là
bất thuận nghịch.


Quá trình bất thuận nghịch:
 Quá trình không thuận nghịch là quá trình mà sau đó hệ và môi trường
không thể quay trở lại trạng thái ban đầu
 Quá trình biến đổi mà
hệ trải qua liên tiếp nhiều
trạng thái không cân
p
bằng

p2
p1

V
O

V2

V1

Slide 8 of 48


Quá trình thuận nghịch:

•Là quá trình biến đổi từ
từ M→N là thuận nghịch
nếu như có thể biến đổi
theo chiều ngược lại từ
N→M đi qua đúng mọi
trạng thái trung gian như
chiều thuận

p
M

p1
p2

N

•Là quá trình biến đổi trải
qua liên tiếp các trạng thái
cân bằng

V
O

V1

Slide 9 of 48

V2

2.5 Hàm trạng thái


Một hàm của hệ F=F(P,V,T...) được gọi là hàm trạng thái nếu giá trị
của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ mà không phụ
thuộc vào cách biến đổi của hệ.

(Ví dụ: Nhiệt độ T, áp suất P, Thể tích V, Nội năng U, entanpi H, entropi S,
thế đẳng áp G…là những hàm trạng thái)

Slide 10 of 48


III. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học.
1. Nội Năng
Năng lượng toàn phần của hệ gồm:

- Động năng chuyển động và thế năng của hệ đối với trường bên ngoài.

- Năng lượng bên trong, bao gồm động năng và năng lượng tương tác
của phân tử, nguyên tử, ion, ...năng lượng bên trong hạt nhân... được gọi là
nội năng.
 Như vậy
- Nội năng là hàm trạng thái dung độ.
- Chỉ có thể xác định được biến thiên nội năng ∆U = U2-U1
- Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
 E (hệ) = Eđ + Et + U

Slide 11 of 48

NỘI NĂNG (U)
U = Etịnh tiến +Equay+Edao động+Ehút,đẩy + Enhân-e


2. Phát biểu nguyên lý I của nhiệt động học.
 Nguyên lý I: Sự biến đổi nội năng của hệ bằng tổng các dạng năng lượng
hệ trao đổi với môi trường.

∆U = Q + W
 Đối với một biến đổi vô cùng nhỏ:
dU = δQ + δW (1)
 Đối với hệ cô lập Q= 0 và W=0 nên ∆U = 0.

Slide 13 of 48


3. Nhiệt đẳng tích và nhiệt đẳng áp.
Xét hệ chỉ sinh công giãn nở δW = -PdV.
Ở V=const thì dv = 0 nên từ (1) ta có:
dU=δQv ∆U =Qv.
Qv được gọi là nhiệt đẳng tích.
Ở P = const thì từ (1) ta có:
dU = δQp – PdV hay δQp = dU + PdV
Qp = ∆U + P∆V = (U2 + PV2) - (U1 + PV1)
Qp =∆H
QP được gọi là nhiệt đẳng áp.
Ở đây H=U + PV (H được gọi là entanpy )

Slide 14 of 48

VI. Áp dụng nguyên lý 1 của nhiệt động học vào phản
ứng hóa học

1.Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hố học.
 Xét phản ứng: aA + bB → cC + dD ± Q
 Q Là lượng nhiệt mà hệ thu vào hay phát ra trong qúa trình hóa học .
 Lượng nhiệt hệ trao đổi với mơi trường khi các chất phản ứng theo tỷ lệ hợp thức ở nhiệt độ T
khi hệ khơng sinh cơng có ích được gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng.
 Q trình đẳng áp Qp = ∆H,
 Q trình đẳng tích Qv= ∆U

»Nếu nhiệt dùng để biến đổi nội năng goiï là hiệu ứng nhiệt đẳng
tích còn để biến đổi entanpi gọi là hiệu ứng nhiệt đẳng áp


 Quan

hệ giữa Qp và Qv của chất khí

Do H= U + PV
ΔH = (ΔU + PΔ V)
Mà PV = nRT nên PΔV = ΔnRT
Đối với qt đẳng tích QV = ΔU
Đối với qt đẳng áp Qp = ∆H
Vậy :QP = QV + ΔnRT
Trong đó: ∆n = ∑ nSP - ∑ nCĐ
Trong q trình chất khí ta có:
ΔH thiên

= ΔUsố
+ mol
ΔnRT
∆n là biến
chất khí.
VD: ∆n của phản ứng tạo nước lỏng khác ∆n của phản ứng tạo hơi
nước
Slide 16 of 48


2. Đònh luật Hess và những hệ quả đl Hess
 . Nội dung: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu
và cuối của các chất tham gia và các chất tạo thành chứ khơng phụ thuộc
vào các giai đoạn trung gian.

Ví dụ: C (than chì,r) + O2(khí) = CO2 (khí), ∆H = -393,509 kJ
C (than chì,r) + ½ O2 = CO (khí), ∆H1 = -110,525 kJ
CO (khí) + ½ O2 (khí) = CO2 (khí), ∆H2 = - 282,984 kJ
ΔH = ΔH1 + ΔH2
»Entanpi là hàm trạng thái và khơng phụ thuộc vào q trình

Slide 17 of 48


Moọt soỏ heọ quaỷ

H qu 1:Hiu ng nhit ca phn ng nghch bng
hiu ng nhit ca phn ng thun nhng ngc du.
VD: Bit CaO(r) + CO2(k) = CaCO3(r) cú H0298 =
-178kJ/mol

Vy phn ng CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k) cú
H0298 = 178kJ/mol

Slide 18 of 48


Hệ quả 2:Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt sinh
Nhiệt sinh hay nhiệt tạo thành một chất là nhiệt lượng thoát ra hay thu
vào khi tạo thành 1 mol của chất đó từ các đơn chất bền.
Nhiệt sinh đo ở điều kiện tiêu chuẩn được gọi là nhiệt sinh chuẩn hay
entanpy tạo thành chuẩn ∆H298,s0.
VD: Nhiệt sinh của CO2(k) là H.ư.n. của phản ứng
C(gr) + O2(k) = CO2(k)
* Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các
chất cuối trừ đi tổng nhiệt sinh cuả các chất đầu
VD: Tính ∆H0298 của CaO(r) + CO2(k) = CaCO3(r)
biết ∆H0298,S của các chất lần lượt là -635; -394 và -1207 kJ/mol
∆H0298 = -1207 + 635 + 394 = -178 (kJ/mol)
Slide 19 of 48


Hệ quả 3:Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào Nhiệt cháy
Nhiệt cháy của một chất là nhiệt lượng thoát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1
mol của chất đó thành các oxit cao nhất bền.
Nhiệt cháy đo ở điều kiện tiêu chuẩn được gọi là nhiệt cháy chuẩn ∆H298,c0
VD: Nhiệt cháy của C(gr) là H.ư.n. của phản ứng
C(gr) + O2(k) = CO2(k)
chứ không phải là nhiệt của C(gr) + 0,5O2(k) = CO(k
)

* Hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt cháy của các chất
tham gia `trừ đi tổng nhiệt cháy cuả các chất sản phẩm.
VD: Tìm ∆H0298 của phản ứng 3C2H2(k) = C6H6(l)
Ta có ∆Hc(C2H2) = -1305, ∆Hc(C6H6) = -3295 kJ/mol
Giải:∆H0298 = 3(-1305) + 3295 = -620 kJ/mol.
Slide 20 of 48


Hệ quả 4 Tính toán hiệu ứng nhiệt của phản ứng thực tế không đo được.
VD: Cần xác định ∆H1 của C(gr) +0.5O2(k) =CO(k) (1)
Biết

C(gr) + O2(k) =CO2(k)(2)
∆H2 =
-393 kJ/mol
CO(gr) + 0,5O2(k) = CO2(k) (3)
∆H3 = -283 kJ/mol
Vì (1) + (3) = (2) nên ∆H1 = ∆H2 - ∆H3 = -393 + 283 = -110 (kJ/mol)

Slide 21 of 48


Hệ quả 5 Xác định năng lượng mạng lưới tinh thể bằng chu trình
BornTính
- Haber.
năng lượng mạng lưới của KBr, cho biết:
- ∆H0298,S(KBr) = -392 kJ/mol.
- ∆H0298,hoá hơi(Br2) = 30,7 kJ/mol.
- ∆H0298,nguyên tử hoá(K) = 90 kJ/mol
- EBr-Br = -193 kJ/mol.

- EBr = -333kJ/mol
- IK = 419 kJ/mol

Slide 22 of 48


V. Nhiệt dung
1. Nhiệt dung mol đẳng áp và nhiệt dung mol đẳng tích
Nhiệt dung mol đẳng tích: Nhiệt lượng cần để nâng 1 mol chất lên 1K
ở điều kiện thể tích không đổi và không có sự chuyển pha.
CV =

QV
∆T

vàC = ( ∂U ) ( 1)
v
V
∂T

Nhiệt dung mol đẳng áp: Nhiệt lượng cần để nâng 1 mol chất lên
1K ở điều kiện áp suất không đổi và không có sự chuyển pha
CP = (

∂H
)P ( 2)
∂T

Chú ý: CV và Cp cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và có thể được biểu diễn
dưới dạng

CP = ao + a1T + a2T2 hay C = ao + a1T + a2T-2.
Nhiệt dung mol thường có thứ nguyên J.mol-1.K-1.
Slide 23 of 48


Từ (1) và (2) ta có
T2

T2

T1

T1

Q V = ∫ dU = ∆U = ∫ C V dT

T2

T2

T1

T1

Q P = ∫ dH = ∆H = ∫ C P dT
Slide 24 of 48


2. Nhiệt biến đổi trạng thái.
Ví Dụ: Tính nhiệt lượng 2 mol nước hấp thụ từ 298K đến 400K ở điều

kiện áp suất không đổi (1atm).
Giải
Do có sự biến đổi trạng thái ở 373K nên lượng nhiệt hấp thụ là
373

400

298

373

∆H = 2 ∫ CP (l ) dT + 2∆H hh + 2 ∫ CP ( h ) dT

Slide 25 of 48