Bài giảng Hóa đại cương 2: Chương 2 - Nhiệt động học: Entropy, Năng lượng tự do, và hướng phản ứng hóa học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hóa đại cương 2" Chương 2 - Nhiệt động học: Entropy, Năng lượng tự do, và hướng phản ứng hóa học, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Chiều tự diễn ra của các quá trình hóa học; Entropy; Hàm thế nhiệt động và chiều của các quá trình hóa học;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa đại cương 2: Chương 2 - Nhiệt động học: Entropy, Năng lượng tự do, và hướng phản ứng hóa học

Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu Nhiệt động học: Entropy, Năng lượng tự do, và Hướng Phản ứng Hóa học 1
1. Chiều tự diễn ra của các quá trình hóa học Các quá trình hóa học xảy ra theo chiều hoàn toàn xác định: Quá trình gỉ sét kim loại khi để lâu ngoài trời Nhiệt tự truyền từ vật nóng sang vật lạnh hơn → Các quá trình ngược lại thì không tự xảy ra được 2
1. Chiều tự diễn ra của các quá trình hóa học ➢ Thông thường hệ có mức năng lượng thấp nhất sẽ ở trạng thái bền nhất -> các quá trình có xu hướng xảy ra theo chiều tỏa nhiệt là giảm nội năng của hệ (tức là làm cho hệ chuyển từ trạng thái có năng lượng cao xuống trạng thái có năng lượng thấp) bền vững hơn. ➢ Tuy nhiên trong rất nhiều trường hợp các phản ứng hóa học xảy ra đi kèm theo sự thu nhiệt từ môi trường ngoài 3
1. Chiều tự diễn ra của các quá trình hóa học Ví dụ: phản ứng khí hóa than cốc C(than đá) + H2O(k) → CO(k) + H2(k) ∆ 𝑟 𝐻 = +31,4 𝑘𝑐𝑎𝑙 Trong trường hợp này nhiệt tạo thành sản phẩm (CO(k) + H2(k)) lớn hơn nhiệt tạo thành nguyên liệu đầu (C(than đá) + H2O(k)) nghĩa là nội năng của hệ sau phản ứng cao hơn nội năng của hệ trước phản ứng, thế nhưng phản ứng vẫn diễn ra. 4
1. Chiều tự diễn ra của các quá trình hóa học • Đa số phản ứng tự xảy ra có ∆𝐻 < 0; tuy nhiên có nhiều quá trình với ∆𝐻 > 0 vẫn tự xảy ra Dấu của ∆𝑯 KHÔNG dự đoán quá trình tự xảy ra. Ví dụ: một số quá trình tự xảy ra ở nhiệt độ phòng H2O(r) → H2O(l) ∆𝐻 𝑜 = +6,02 𝑘𝐽 H2O(l) → H2O(k) ∆𝐻 𝑜 = +44,0 𝑘𝐽 N2O5(r) → NO2(k) + ½ O2 (k) ∆𝐻 𝑜 = +109,5 𝑘𝐽 5
Ví dụ 1: Giả sử có hai bình khí trơ He và Ne được nối với nhau như hình vẽ Hình 2.1: Minh họa sự khuếch tán khí ➢ Khi mở van, các khí trên sẽ đi qua van và trộn lẫn nhau cho đến khi khí trong cả 2 bình phân bố đều trên toàn bộ thể tích. Đây là quá trình tự diễn biến mà không kèm theo sự biến đổi năng lượng nào. ➢ Tuy nhiên quá trình tự diễn biến theo chiều ngược lại sẽ không thể xảy ra được 6
Ví dụ 2: Quá trình tan của nước đá tan thành nước lỏng ✓ Phân tử nước liên kết với nhau bởi liên kết cầu nối hydro liên phân tử. ✓ Khi nước đá tan, liên kết phân tử bị cắt đứt (cần phải cung cấp nhiệt) → trật tự bị phá, độ mất trật tự tăng. ✓ Đá tan thành nước ở nhiệt độ phòng → nước lỏng mất trật tự hơn là nước đá. 7
Hình 2.2: Trạng thái sắp xếp của các chất rắn, lỏng, khí • Ta nhận xét thấy rằng: Trong điều kiện năng lượng không đổi, hệ có khuynh hướng chuyển từ trạng thái có độ mất trật tự thấp sang trạng thái có độ mất trật tự cao hơn. 8
➢ Như vậy chỉ dựa vào sự biến đổi nội năng (hay Enthalpy, ∆𝐻) KHÔNG THỂ dự đoán được chiều phản ứng. ➢ Nguyên lý 1 cho phép tính nhiệt của các phản ứng nhưng KHÔNG cho phép tiên đoán chiều và giới hạn của quá trình. ➢ Để tiên đoán chính xác chiều hướng của phản ứng ta cần phải xem xét thêm một yếu tố nữa đó là độ mất trật tự của hệ (được thể hiện qua giá trị ENTROPY, ký hiệu S). 9
2. ENTROPY ➢ Quá trình hay phản ứng hóa học TỰ XẢY RA là biến đổi trong đó có sự TĂNG độ mất trật tự. ➢ Entropy, S: thước đo độ hỗn loạn của trạng thái của hệ và được biểu thị bằng công thức sau: 𝑹 𝑺 = 𝒌 𝑩 × 𝐥𝐧 𝑾 = × 𝐥𝐧 𝑾 𝑵𝑨 (Entropy theo quan điểm của Boltzmann) 10
2. ENTROPY 𝑹 𝑺 = 𝒌 𝑩 × 𝐥𝐧 𝑾 = × 𝐥𝐧 𝑾 𝑵𝑨 Trong đó: NA: là số Avogadro bằng 𝟔, 𝟎𝟐𝟐𝟎𝟒 × 𝟏𝟎𝟐𝟑 (số nguyên tử có trong một nguyên tử gam hay số phân tử có trong một phân tử gam). R: là hằng số khí = 𝟎, 𝟎𝟖𝟐𝟎𝟓𝟕 𝑳. 𝒂𝒕𝒎. 𝒎𝒐𝒍−𝟏 . 𝑲−𝟏 = 𝟖, 𝟑𝟏𝟒𝟓 𝑱. 𝒎𝒐𝒍−𝟏 . 𝑲−𝟏 = 𝟏, 𝟗𝟖𝟕 𝒄𝒂𝒍. 𝒎𝒐𝒍−𝟏 . 𝑲−𝟏 . kB: là hằng số Boltzmann 𝟏, 𝟑𝟖𝟎𝟔𝟔 × 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝑱/𝑲 W: xác xuất trạng thái của hệ. 11
VD: Tính entropy của 1 mol chất tinh thể phân tử: ▪ Nếu các phân tử chỉ có 1 cách định hướng duy nhất 𝑊 = 1 → 𝑆 = 0 ▪ Nếu mỗi phân tử có thể định hướng theo 2 cách (cách 1 và 2), thì đối với 1 mol chất, tức 6,02 x 1023 phân tử, sẽ có 2 ^ (6,02 x 1023) cách sắp xếp khác nhau của các phân tử. 𝑊= 26,02×1023 → 𝑆 = 1,38 × 10−23 (𝐽. 𝐾 −1 ) × ln 26,02×1023 = 1,38 × 10−23 × 6,02 × 1023 × 𝑙𝑛2 = 5,76 𝐽. 𝑚𝑜𝑙 −1 . 𝐾 −1 12
2. ENTROPY Ví dụ W: Xét một hệ có 4 phân tử nitrous oxide (NO). • Giả sử rằng ở T = 0 K, bốn phân tử NO được sắp xếp là 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 . Chỉ có 1 cách sắp xếp -> 𝑾 = 𝟏 -> 𝑆 = 0 . • Khi nhiệt độ được nâng lên (chỉ đủ để 1 đơn phân tử NO xoay). Lúc này 𝑾 = 𝟒 -> 𝑺 = 𝒌 𝑩 × 𝒍𝒏 𝑾 = 𝟏, 𝟑𝟖𝟎𝟔𝟔 × 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝐽𝐾 −1 × ln 4 = 𝟏. 𝟗𝟏𝟒𝟏 × 𝟏𝟎−𝟐𝟑 𝐽𝐾 −1 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑂𝑁 , 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑂𝑁 … 𝑁𝑂 , 𝑁𝑂 … 𝑂𝑁 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 , 𝑂𝑁 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 … 𝑁𝑂 13
2. ENTROPY Tính chất của Entropy ➢ Mỗi chất có giá trị Entropy riêng, phân tử càng phức tạp thì Entropy càng lớn (vì W lớn). ➢ Chất càng cứng thì Entropy càng nhỏ: S(rắn) < S(lỏng) < S(khí). 14
2. ENTROPY Entropy chuẩn (𝑺 𝒐 𝟐𝟗𝟖 ) ➢ Entropy chuẩn (𝑆 𝑜 298 ): là giá trị Entropy của 1 mol chất đo ở đktc có áp suất 1 bar và nhiệt độ bằng 25 oC (298,15K). ➢ Đơn vị tính của 𝑺 𝒐 𝟐𝟗𝟖 là 𝑱. 𝒎𝒐𝒍−𝟏 . 𝑲−𝟏 hoặc 𝒄𝒂𝒍. 𝒎𝒐𝒍−𝟏 . 𝑲−𝟏 . Giá trị này có thể tra cứu được từ các SỔ TAY HÓA HỌC. ➢ Lưu ý: 𝑺 𝒐 𝟐𝟗𝟖 của hóa chất luôn khác 0, ngay cả đơn chất. 15
2. ENTROPY ➢ Entropy mol chuẩn thức(𝑺) phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất (thể tích) và trạng thái của hóa chất, dạng thù hình, … ➢ Ví dụ: 𝑆 𝐶𝑂2 25 𝑜 𝐶, 𝟏 𝒃𝒂𝒓 > 𝑆 𝐶𝑂2 25 𝑜 𝐶, 𝟑 𝒃𝒂𝒓 𝑆 𝐻𝑒 𝟏𝟎𝟎 𝒐 𝑪, 1 𝑏𝑎𝑟 > 𝑆 𝐻𝑒 𝟐𝟓 𝒐 𝑪, 1 𝑏𝑎𝑟 𝑆 𝐵𝑟2(𝒍) < 𝑆 𝐵𝑟2(𝒌) 𝑆 𝐶(𝒈𝒓𝒂𝒑𝒉𝒊𝒕𝒆) > 𝑆 𝐶(𝒌𝒊𝒎 𝒄ươ𝒏𝒈) 𝑆 𝐶ℎấ𝑡 𝑡𝑎𝑛 + 𝑆 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑚ô𝑖 < 𝑆 𝑑𝑢𝑛𝑔 𝑑ị𝑐ℎ 16
➢ Entropy tăng theo kích thước nguyên tử Li Na K Rb Cs r, pm 152 186 227 248 265 g/mol 7 26 29 85 133 So(r) (J/molK) 29,1 51,4 64,7 69,5 85,2 17
Bài tập ví dụ 1 1a. Hãy cho biết, trong các quá trình sau, Entropy tăng, giảm hay chưa thể xác định kết quả. a) Sự phân hủy của ammonium nitrate (một loại phân bón và một chất nổ mạnh): 𝟐 𝑵𝑯 𝟒 𝑵𝑶 𝟑(𝒔) → 𝟐 𝑵 𝟐(𝒈) + 𝟒 𝑯 𝟐 𝑶(𝒈) + 𝑶 𝟐(𝒈) b) Sự chuyển hóa 𝑆𝑂2 thành 𝑆𝑂3 (một bước quan trọng để sản xuất sulfuric acid): 𝟐 𝑺𝑶 𝟐(𝒈) + 𝑶 𝟐(𝒈) → 𝟐 𝑺𝑶 𝟑(𝒈) . c) Quá trình chiết xuất Sucrose từ nước ép mía đường: 𝑪 𝟏𝟐 𝑯 𝟐𝟐 𝑶 𝟏𝟏(𝒂𝒒) → 𝑪 𝟏𝟐 𝑯 𝟐𝟐 𝑶 𝟏𝟏(𝒔) . d) Phản ứng “chuyển dịch khí nước” (liên quan đến quá trình khí hóa than): 𝑪𝑶(𝒈) + 𝑯 𝟐 𝑶(𝒈) → 𝑪𝑶 𝟐(𝒈) + 𝑯 𝟐(𝒈) . 18
Bài tập ví dụ 1 1B. Hãy cho biết, Entropy tăng, giảm hay chưa thể xác định trong các quá trình sau a) Quá trình Claus để loại bỏ 𝐻2 𝑆 khỏi khí tự nhiên: 𝟐 𝑯 𝟐 𝑺(𝒈) + 𝑺𝑶 𝟐(𝒈) → 𝟑 𝑺(𝒔) + 𝟐 𝑯 𝟐 𝑶(𝒈) b) Sự phân hủy thủy ngân (II) oxide: 𝟐 𝑯𝒈𝑶(𝒔) → 𝟐 𝑯𝒈(𝒍) + 𝑶 𝟐(𝒈) . c) 𝒁𝒏(𝒔) + 𝑨𝒈 𝟐 𝑶(𝒔) → 𝒁𝒏𝑶(𝒔) + 𝟐 𝑨𝒈(𝒔) . d) Quá trình alkyl hóa Chlor 𝟐 𝑪𝒍− (𝒂𝒒) + 𝑯 𝟐 𝑶(𝒍) → 𝟐 𝑶𝑯− (𝒂𝒒) + 𝑯 𝟐(𝒈) + 𝑪𝒍 𝟐(𝒈) . 19
2. ENTROPY Biến thiên entropy của các quá trình ➢ Entropy là hàm trạng thái nên sự thay đổi Entropy (hay biến thiên Entropy (∆𝑺)) cũng chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu - cuối của hệ. ∆𝑺 𝒒𝒖á 𝒕𝒓ì𝒏𝒉 = ∆𝑺 𝒕𝒓ạ𝒏𝒈 𝒕𝒉á𝒊 𝒄𝒖ố𝒊 − ∆𝑺 𝒕𝒓ạ𝒏𝒈 𝒕𝒉á𝒊 đầ𝒖 ➢ Biến thiên Entropy đo tính KHÔNG thuận nghịch của quá trình (trong hệ cô lập) và đặc trưng cho chiều diễn biến của quá trình. 20