CHƯƠNG 4 NHIỆT hóa học

CHƯƠNG 4
NHIỆT HÓA HỌC


4.1
Một số khái niệm
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1. Một số khái niệm

Nhiệt động học, nhiệt động hóa học, nhiệt
hóa học
Nhiệt phản ứng (hiệu ứng nhiệt của PU)
Hệ hóa học
Trạng thái – Quá trình
Các thông số trạng thái
Các hàm nhiệt động

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.1.Nhiệt động học, nhiệt động hóa học, nhiệt hóa học
Nhiệt động học (Thermodynamics)
Nghiên cứu sự chuyển hóa giữa tất cả các dạng năng
lượng, những qui luật có liên quan tới các biến đổi nhiệt
năng thành các dạng năng lượng khác.
Cơ sở lý thuyết: nguyên lý I, II và III
Nhiệt động hóa học (Chemical thermodynamics)
Nghiên cứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và các dạng
năng lượng khác trong các quá trình hóa học.

Nhiệt hóa học (Thermo chemistry)
Nghiên cứu sự chuyển hóa giữa hóa năng và nhiệt năng,
nghĩa là chuyển năng lượng của phản ứng hóa học thành
nhiệt năng.
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.2. Hệ

Là tập hợp các vật thể xác định trong không gian
nào đó, phần còn lại xung quanh là môi trường.
Hệ hóa học: lượng chất nhất định của một hay
nhiều chất ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và nồng
độ nào đó.
Môi trường
Hệ hoá học
khí H2 và O2


4.1.2. Hệ
Hệ

Trao đổi Trao đổi
vật chất năng lượng
1. Hở
Có
Có
2. Kín
Không
Có

3. Cô lập Không
Không

(1)

(2)

(3)

4.Hệ đoạn nhiệt: không trao đổi chất và nhiệt nhưng có
thể trao đổi công.
5.Hệ đồng thể: Các cấu tử cùng một pha hay là không có
bề mặt phân chia giữa các cấu tử.
6.Hệ dị thể: Các cấu tử khác pha hay là có bề mặt phân
chia giữa các cấu tử.
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.3. Trạng thái (nhiệt động) - Thông số trạng thái –
Hàm trạng thái

Trạng thái của hệ
được xác định bằng tập hợp các thông số trạng
thái như nhiệt độ, áp suất, thể tích, thành
phần...
VD: 1 lít dd NaOH 2M, 250C
sẽ biến đổi khi ít nhất một thông số trạng thái
biến đổi
Chương 4: Nhiệt hóa học

4.1.3. Trạng thái (nhiệt động) - Thông số trạng thái –
Hàm trạng thái

Thông số trạng thái
Liên hệ với nhau bằng phương trình trạng thái
Ví dụ: Khí lý tưởng PV = nRT; Dung dịch m = V.d
Thông số dung dộ
Tỷ lệ với lượng chất
Có tính cộng
VD: n,m,V,E….

Thông số cường độ
Không tỷ lệ với lượng chất
Không có tính cộng
VD: T,C,P….
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.3. Trạng thái (nhiệt động) - Thông số trạng thái –
Hàm trạng thái

Hàm trạng thái
 Biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trạng thái
 Có giá trị phụ thuộc vào các thông số trạng thái
không phụ thuộc vào cách biến đổi của hệ
 không phụ thuộc vào đường đi của hệ
Nhiệt độ T, áp suất P, thể tích V, nội năng U, enthalpy H,
entropy S, thế đẳng áp G …
Ví dụ: Khí lý tưởng PV = nRT → P = nRT/V

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.3. Trạng thái (nhiệt động) - Thông số trạng thái –
Hàm trạng thái

Trạng thái cân bằng
Các thông số trạng thái ở mọi điểm của hệ phải
có giá trị như nhau và không thay đổi theo thời
gian

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.3. Trạng thái (nhiệt động) - Thông số trạng thái –
Hàm trạng thái
Trạng thái chuẩn
Quy ước các chất ở các điều kiện chuẩn:
 Chất tinh khiết và ở trạng thái tập hợp bền dưới P và T
chuẩn
 Rắn: trạng thái đa hình bền ở điều kiện P và T chuẩn
 Khí : khí lý tưởng (ở P chuẩn)
 Dung dịch: nồng độ 1 mol/l
 Áp suất:1 atm
 Nhiệt độ: bất kỳ, thường lấy là 298,15K (25°C)
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.4. Quá trình (nhiệt động)

Là sự biến đổi xảy ra trong hệ gắn liền với sự
thay đổi của ít nhất là một thông số trạng thái
Khi một hệ chuyển từ trạng thái này sang trạng
thái khác tức là hệ thực hiện một quá trình

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.4. Quá trình (nhiệt động)

 Các quá trình
Quá trình
Đẳng áp
Đẳng tích
Đẳng nhiệt
Đoạn nhiệt

Đặc điểm
P=const
V=const
T=const
Q=const (không trao đổi nhiệt, có thể trao
đổi công)

 Chu trình
là quá trình biến đổi hệ qua một số giai đoạn đưa
hệ đến trạng thái cuối trùng với trạng thái đầu
Chương 4: Nhiệt hóa học

4.1.5. Năng lượng, nhiệt và công
Năng lượng là thước đo sự chuyển động của các chất
Nhiệt là thước đo
Công là thước đo sự chuyển
sự chuyển động
động có trật tự có hướng của
nhiệt hỗn loạn của
các tiểu phân trong trường
các tiểu phân.
lực.

Nhiệt và công chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng
thái của hệ
 hàm của quá trình, phụ thuộc cách tiến hành
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.1.5. Năng lượng, nhiệt và công
Quy ước về dấu của NHIỆT và CÔNG

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2
Nguyên lí I của NĐLH
Hiệu ứng nhiệt
của quá trình
Chương 4: Nhiệt hóa học

4.2.1. Nguyên lí I của nhiệt động lực học

“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
lượng phải được bảo toàn ”
 ĐL bảo toàn năng lượng
 Khi cung cấp cho hệ một lượng nhiệt Q thì
lượng nhiệt này dùng làm tăng nội năng U của
hệ và giúp hệ thực hiện một công A chống lại
các lực bên ngoài tác động lên hệ

Q = ΔU + A

Với : ΔU: độ biến đổi nội năng U của hệ
A = ∫ PdV
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.1. Nguyên lí I của nhiệt động lực học

A = ∫ PdV
Công A do hệ thực hiện
trong QT chuyển từ trạng
thái 1 sang trạng thái 2 để
chống lại các lực bên
ngoài tác động lên hệ
như: áp suất, điện
trường, từ trường, sức
căng bề mặt…

Q = ΔU + A

Quá trình đẳng tích: ∆V=0  A=0  Qv=∆U
Quá trình đẳng áp: A=P.∆V  Qp= ∆U+P.∆V
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.1. Nguyên lí I của nhiệt động lực học

Nội năng U
 Là năng lượng toàn phần sẵn có của hệ, trừ động năng
và thế năng
U = Etịnh tiến + Equay + Edao động + Ehút,đẩy + Enhân
 Là hàm trạng thái, là thông số dung độ
 Đơn vị: J/mol; cal/mol
 Không thể xác định chính xác tuyệt đối giá trị nội năng
của hệ tại một trạng thái nhưng có thể suy ra một cách
chính xác độ biến thiên nội năng DU của hệ khi hệ
chuyển trạng thái :
DU = U2 – U1 = Qv
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.1. Nguyên lí I của nhiệt động lực học

Enthalpy H
Quá trình đẳng áp:
Qp= DU + P.DV = (U2 – U1) + P(V2 – V1)
= (U2 + PV2) – (U1 + PV1)

Đặt H = U + PV  Qp = H2 – H1 = DH
H được gọi là enthalpy:
 là hàm trạng thái của hệ
 gồm nội năng U và khả năng sinh công tiềm ẩn A của
hệ
H là năng lượng dự trữ toàn phần của hệ
 Đơn vị: kJ/mol hay kcal/mol
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.2.Hiệu ứng nhiệt của quá trình

 là lượng nhiệt tỏa ra hay thu vào trong các quá
trình hóa học
Quá trình đẳng tích:
hiệu ứng nhiệt là Qv=DU
Quá trình đẳng áp:
hiệu ứng nhiệt là Qp=DH (DH = DU +PDV)
Quy ước dấu: Tỏa nhiệt: ΔH <0 , ΔU < 0
Thu nhiệt: ΔH >0 , ΔU > 0

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.2.Hiệu ứng nhiệt của quá trình
Pư toả nhiệt

Pư thu nhiệt

C(graphit)+ O2(k) → CO2(k)

DH0298= -393,51 kJ

C(graphit) + H2O(k) → CO(k) + H2(k)
DH0298 = + 131,3 kJ

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.2.Hiệu ứng nhiệt của quá trình

Quan hệ giữa ΔH và ΔU:
DH = DU + P.DV
Phản ứng chỉ có chất rắn, chất lỏng
DV  0 nên DH  DU
Phản ứng có chất khí
PV = nRT (xem khí là khí lý tưởng)
 P.DV = Dn.R.T
 DH = DU + Dn.R.T
Dn =  (số mol khí)sp - (số mol khí)cđ
trong phương trình phản ứng
(R = 1,987cal/mol.K = 8,314 J/mol.K)
Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.2.Hiệu ứng nhiệt của quá trình

Quan hệ giữa ΔH và ΔU:

DH = DU + Dn.R.T

VD: Tính hiệu ứng nhiệt đẳng tích ∆U của các pư sau ở 25oC
(1) Fe2O3(r) + 3CO(k) 2Fe(r) + 3CO2(k) ∆H0298 = -6,74kcal
∆n=3-3=0

 ∆U0298 = ∆H0298

(2) 2SO2(k) + O2(k) 2SO3(k) ∆H0298 = -46,88kcal
∆n=2-(2+1)=-1

∆U0298 = ∆H0298 – ∆nRT
= -46,88 – (-1).1,987.10-3.298

Chương 4: Nhiệt hóa học


4.2.2.Hiệu ứng nhiệt của quá trình

1. Nhiệt tạo thành
là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol
chất từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do
bền nhất trong những điều kiện đã cho về áp
suất và nhiệt độ
Đơn vị: kJ/mol hay kcal/mol
Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn:
DH0298 tt hay DH0298 f
 điều kiện tiêu chuẩn (25°C,1atm)

Chương 4: Nhiệt hóa học