Bài giảng Hóa đại cương: Chương 6 - Huỳnh Kỳ Phương Hạ

CHƯƠNG 6

NHIEÄT HOÙA HOÏC VAØ HIEÄU ÖÙNG NHIEÄT CUÛA CAÙC QUAÙ TRÌNH HOÙA HOÏC

1

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

KHAÙI NIEÄM VEÀ NHIEÄT ÑOÄNG HOÙA HOÏC VAØ

NHIEÄT HOÙA HOÏC

• Nhieät ñoäng hoïc laø söï nghieân cöùu veà söï chuyeån bieán töông hoå giöõa caùc daïng naêng löôïng khaùc nhau vaø noù döïa treân cô sôû hai nguyeân lyù:

• Nguyeân lyù 1:

– Naêng löôïng khoâng töï nhieân sinh ra hay maát ñi maø noù chæ

chuyeån töø daïng naøy sang daïng khaùc.

• Nguyeân lyù 2:

– Nhieät chæ chuyeån töø nôi coù nhieät ñoä cao hôn ñeán nôi coù

nhieät ñoä thaáp.

2

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Aùp duïng vaøo nhieät ñoäng hoùa hoïc

• Nhieät

hoïc

hoùa

ñoäng

(Chemical Thermodynamics) nghieân cöùu caùc quy luaät veà söï chuyeån bieán töông hoå giöõa hoùa naêng vaø caùc daïng naêng löôïng khaùc, veà hieäu öùng nhieät cuûa quaù trình hoùa hoïc, veà ñieàu kieän beàn vöõng cuûa caùc heä vaø caùc quy luaät thay ñoåi cuûa caùc quaù trình hoùa hoïc.

3

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Nhieät ñoäng hoùa hoïc moâ taû lieân heä giöõa naêng löôïng hoaù hoïc cuaû moät phaûn öùng ñeán taùc chaát vaø saûn phaåm (bieåu dieãn khaû naêng xaûy ra cuûa moät phaûn öùng).

• Nhieät hoùa hoïc chæ nghieân cöùu veà hieäu öùng nhieät, laø löôïng nhieät phaùt ra hay thu vaøo trong caùc quaù trình hoùa hoïc.

• Ñôn vò naêng löôïng theo heä SI laø joule, J. • Chuyeån ñoåi töø joule (J) sang calorie (cal):

– 1 cal = 4.184 J.

4

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Moät soá khaùi nieäm

• Heä:

– Laø moät vaät hay moät nhoùm vaät theå ñöôïc nhaên caùch vôùi moâi tröôøng xung quanh baèng beà maët töôûng töôïng hay beà maët vaät lyù.

• Heä coâ laäp:

– Laø heä khoâng trao ñoåi nhieät, naêng löôïng, chaát vôùi

moâi tröôøng xung quanh.

• Heä kín (ñoùng):

– Khoâng trao ñoåi chaát maø coù khaû naêng trao ñoåi

naêng löôïng vôùi moâi tröôøng beân ngoaøi.

5

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Heä hôû (môû):

– Coù khaû naêng trao ñoåi chaát, nhieät, naêng löôïng vôùi

moâi tröôøng beân ngoaøi.

• Heä caân baèng:

– Laø heä coù caùc thoâng soá traïng thaùi xaùc ñònh ôû moät

ñieàu kieän naøo ñoù.

• Heä ñoàng theå:

– Laø heä chæ coù moät pha (khoâng coù söï phaân chia

pha), hoaëc khoâng coù beà maët phaân chia.

• Heä dò theå:

– Coù hai pha trôû leân hoaëc coù beà maët phaân chia.

6

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Thoâng soá vaø haøm soá traïng thaùi

• Thoâng soá traïng thaùi laø caùc döõ kieän: p, m, v… • Phöông trình traïng thaùi: Duøng bieåu dieãn töông quan taäp hôïp traïng thaùi cuûa heä ôû moät ñieàu kieän xaùc ñònh. – Ví duï: pv = nRT

• Caùc haøm soá traïng thaùi chæ phuï thuoäc quaù trình ñaàu

vaø cuoái, khoâng phuï thuoäc ñöôøng ñi. – Caùc haøm traïng thaùi: Noäi naêng (U), Enthalpy (H), Entropy (S), naêng löôïng töï do Gibbs (G) (coù theå coi T, p cuõng laø haøm traïng thaùi)

– Nhieät (q) vaø coâng (w) khoâng phaûi laø haøm traïng thaùi.

7

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Caùc quaù trình

•

• Khi heä chuyeån töø traïng thaùi naøy sang traïng thaùi khaùc,

töùc laø heä thöïc hieän moät quaù trình.

• Quaù trình thuaän nghòch (TN): Xaûy ra theo hai chieàu ngöôïc nhau vaø töông ñoái chaäm, quaù trình ñaït ñeán caân baèng ñoäng.

• Quaù trình baát TN: Laø quaù trình chæ xaûy ra theo moät

chieàu, khoâng dieãn ra theo chieàu ngöôïc laïi.

• Quaù trình ñaúng tích (Isochoric process, V = const) • Quaù trình ñaúng aùp (Isobaric process, p = const) • Quaù trình ñaúng nhieät (Isothermal process, T= const)

8

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Nhieät vaø coâng Nguyeân lyù moät cuûa nhieät ñoäng hoïc ñöôïc

moâ taû:

• E = q + A ÔÛ ñaây:

– E = Naêng löôïng trao ñoåi. –q = Nhieät trao ñoåi. –A = Coâng thöïc hieän (Kyù hieäu w hay

A).

9

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

A = At + A’ At: coâng theå tích (giaõn nôû, cô hoïc). At = p V = nRT = nRTln(p1/p2) • A’: coâng höõu ích (coâng ñieän tröôøng, töø tröôøng, hoùa

hoïc…)

Q = m.C. t

– m: Khoái löôïng heä (vaät) nhaän nhieät, g. – C: nhieät dung rieâng (specific heat capacity), J/(g.0C), hay cal/(g.0C)- Laø nhieät löôïng caàn thieát ñeå naâng 1 g chaát leân 1 ñoä (K hay C).

– t = t2 – t1 (söï thay ñoåi nhieät ñoä tröôùc vaø sau khi nhaän

nhieät, 0C.

10

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Quy öôùc veà daáu vaø yù nghóa cuûa A, q.

• q > 0: Nhieät chuyeån töø moâi tröôøng vaøo heä

(heä nhaän nhieät) • q < 0: heä toûa nhieät. • A > 0 (hay w>0): Heä sinh coâng. • A < 0 (hay w<0): Heä nhaän coâng.

– Ví duï

A = p V , neáu heä sinh coâng, töùc laø V2>V1, luùc ñoù A>0.

11

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Noäi naêng (U), enthalpy H vaø hieäu öùng nhieät H

• Noäi naêng U:

•

– Laø naêng löôïng coù saün, aån beân trong heä, goàm naêng löôïng chuyeån ñoäng tònh tieán, quay, dao ñoäng… cuûa nguyeân töû, phaân töû, ion... (Naêng löôïng heä) = U + ñoäng naêng heä (Eñ) + theá

•

naêng heä (Et) Ta coù: Q = U + A – Töùc laø khi cung caáp cho heä moät nhieät löôïng Q thì nhieät naêng naøy duøng ñeå taêng noäi naêng cuûa heä vaø thöïc hieän coâng A choáng laïi caùc löïc beân ngoaøi taùc ñoäng leân heä.

12

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Enthalpy H

• Töø Q = U + A • Vôùi U = U2 – U1 A = p V

Q = U + p V = (U2 – U1) + p(V2 – V1)

• ÔÛ ñieàu kieän ñaúng tích (V = const, V=0)

QV = U + p V = U – Hay ôû ñieàu kieän ñaúng tích, nhieät cung caáp cho heä chæ duøng ñeå taêng noäi naêng cuûa heä, QV goïi laø hieäu öùng nhieät ñaúng tích.

13

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• ÔÛ ñieàu kieän ñaúng aùp (p = const) – QP = U + p V = (U2 – U1) + p(V2 – V1)

(U2 + pV2) – (U1 + pV1)

Ñaët H = U + pV, enthalpy, laø haøm soá traïng thaùi.

QP = H2 – H1 = H Hieäu öùng nhieät ôû ñieàu kieän ñaúng aùp chính laø söï bieán ñoåi enthalpy, hay goïi taét laø Hieäu öùng nhieät.

– Vôùi heä chaát khí

H = U + nRT

phaùt nhieät

Phaûn öùng töï xaûy ra khi H < 0 Phaûn öùng khoâng töï xaûy ra khi H > 0

thu nhieät

14

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• MOÄT SOÁ VÍ DUÏ

• VD1: ÔÛ 1 amt vaø 250C, coù phaûn öùng:

H2(k) + 1/2O2(k) = H2O(k)

• Xaùc ñònh U, bieát H = -58.1 kcal/mol?

U = H – nRT.

n = 1 – (1 + ½) = -1/2

• H = U + p V • •

U = -58.1 + ½.1.987.(25+273) (kcal/mol)

15

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• VD2: ÔÛ 1 amt vaø 250C, coù phaûn öùng:

C(r) + H2O(k) = CO(k) + H2(k)

• Xaùc ñònh U, bieát H = + 31.4 kcal/mol?

U = H – nRT.

n = 1 +1 – 1 = 1

• H = U + p V • •

U = 31.4 -1.987.(25+273) (kcal/mol)

16

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• PHÖÔNG TRÌNH NHIEÄT HOÙA HOÏC • • Laø phöông trình phaûn öùng hoùa hoïc coù ghi keøm

traïng thaùi pha cuûa taùc chaát, saûn phaåm.

• Hieäu öùng nhieät cuûa moät phaûn öùng tyû leä thuaän vôùi

löôïng chaát tham gia phaûn öùng.

• Ví duï: •

CH4(k) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

H = -802 kJ

2CH4(g) + 4O2(g)

2CO2(g) + 4H2O(g)

H = -1604 kJ

17

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Moät soá ñònh nghóa • Nhieät taïo thaønh • Laø hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng taïo thaønh moät mol chaát töø caùc ñôn chaát ôû traïng thaùi töï do beàn vöõng (ôû ñieàu kieän chuaån goïi laø nhieät taïo thaønh tieâu chuaån).

• Enthalpy tieâu chuaån, H0, laø enthalpy ño ôû 1

atm vaø 250C (298 K) (ñieàu kieän chuaån).

• Nhieät taïo thaønh cuûa caùc ñôn chaát beàn ôû ñieàu

kieän tieâu chuaån baèng 0.

18

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Ví duï: ÔÛ ñieàu kieän chuaån.

• H0

tt[HCl(k)] = -22.06 kcal/mol

• H0 • H0 • H0

phaûn öùng[NH3(k)] = -22 kcal tt[NH3(k)] = -11 kcal/mol tt[N2(k), H2(k), Cl2(k)] = 0

19

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Nhieät taïo thaønh tieâu chuaån (298K) cuûa moät soá chaát

20

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Nhieät ñoát chaùy

• Laø hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng ñoát chaùy baèng oxy 1 mol chaát höõu cô ñeå taïo thaønh CO2 (k), nöôùc loûng vaø moät soá saûn phaåm khaùc.

• H0

phaûn öùng=-372.82 kcal cuõng chính laø nhieät ñoát

chaùy tieâu chuaån cuûa C2H6 (k).

21

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Nhieät chuyeån traïng thaùi

• Laø hieäu öùng nhieät chuyeån 1 mol chaát töø traïng thaùi

naøy sang traïng thaùi khaùc.

•

H0

I2 (r)

I2 (k),

298=14.92 kcal, nhieät thaêng hoa.

H0

• H2O (l)

H2O (k),

298=10.52 kcal, nhieät bay hôi.

H0

• AlBr3 (r)

AlBr3 (l),

298=2.71 kcal, nhieät noùng chaûy.

H0

• B2O3 (vñh)

B2O3 (tt),

298=4.40 kcal, nhieät

chuyeån ña hình.

22

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Nhieät hoøa tan

• Laø hieäu öùng nhieät caàn thieát ñeå hoøa tan 1 mol chaát thaønh dung dòch trong moät theå tích dung moâi raát lôùn (ñuû lôùn). http://en.wikipedia.org/wiki/Enthalpy_change_of_solution

• Quaù trình hoøa tan coù theå taùch 3 giai ñoaïn:

– Phaù vôõ lieân keát trong chaát tan (thu nhieät). Ví duï phaù vôõ

maïng tinh theå cuûa muoái khi hoaø tan vaøo nöôùc.

– Phaù vôõ lieân keát giöõa caùc phaân töû dung moâi (thu nhieät), ôû

ñaây laø phaù löïc lieân keát hydro cuûa nöôùc.

– Taïo thaønh lieân keát dung moâi – chaát tan trong dung dòch

(toaû nhieät).

• Phuï thuoâc ñoä lôùn cuûa caùc giai ñoaïn maø toång coäng quaù trình hoøa tan toûa nhieät (muoái aên trong nöôùc) hay thu nhieät (NH4Cl trong nöôùc).

23

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

MOÄT SOÁ GIAÙ TRÒ NHIEÄT HOØA TAN

Chaát

H0 kcal/mol (trong nöôùc) - 17.89 + 6.140 - 7.290 - 13.77 - 17.10 + 0.928 + 9.890 - 0.360

HCl NH4Cl NH3 KOH CeOH NaCl KClO3 CH3COOH

24

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

NaOH (r) +(n+m)H2O (l) = Na+.mH2O (dd) + OH-.nH2O (dd)

H0 = -10.20 kcal/mol

NH4Cl (r) +(n+m)H2O (l) = NH4

+.mH2O (dd) + Cl-.nH2O (dd) H0 = +6.14 kcal/mol

25

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

ÑÒNH LUAÄT HESS

• Hieäu öùng nhieät cuûa quaù trình hoùa hoïc chæ phuï thuoäc vaøo baûn chaát vaø traïng thaùi cuûa caùc chaát ñaàu vaø saûn phaåm cuoái chöù khoâng phuï thuoäc vaøo ñöôøng ñi cuûa quaù trình, nghóa laø khoâng phuï thuoäc vaøo soá vaø ñaëc ñieåm cuûa caùc giai ñoaïn trung gian.

26

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Caùc ví duï

Keát quaû:

H1 = H2 + H3

27

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

C(r) + 2 H2(k) 2 O2(k)

CO2(k)

2 H2O(l)

H1 H2 H3 H4

CH4(k) 2 O2(k) C(r) + O2(k) 2 H2(k) + O2(k) --------------------------------------------- CH4(k) + 2 O2(k)

CO2(k) + 2 H2O(l), Htoång

Htoång = H1 + H2 + H3 + H4

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

A

H1

H2

H

Chaát phaûn öùng

Saûn phaåm phaûn öùng

H3

H5

H4

B

C

H = H1 + H2 = H3 + H4 + H5

29

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

HEÄ QUAÛ ÑÒNH LUAÄT LAVOISIER AND LAPLACE

• Löôïng nhieät haáp thu khi moät chaát phaân huûy thaønh caùc nguyeân toá baèng löôïng nhieät phaùt ra khi taïo thaønh hôïp chaát ñoù töø caùc nguyeân toá.

A + B = A , H1 AB = A + B, H2 H1 = H2

30

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

CAÙC ÖÙNG DUÏNG TÍNH TOAÙN

•

Tính hieäu öùng nhieät döïa vaøo nhieät taïo thaønh Hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng baèng toång nhieät taïo thaønh cuûa caùc saûn phaåm phaûn öùng tröø toång nhieät taïo thaønh cuûa caùc chaát ban ñaàu.

VD: Phaûn öùng aA + bB = cC + dD

(nhieät taïo thaønh)

H1

H2

H3

H4

Hp.ö = c H3 + d H4 – (a H1 + b H2)

31

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Tính hieäu öùng nhieät döïa vaøo nhieät ñoát chaùy • Hieäu öùng nhieät cuûa phaûn öùng baèng toång nhieät ñoát chaùy cuûa caùc chaát ñaàu tröø toång nhieät ñoát chaùy cuûa caùc saûn phaåm.

VD: Phaûn öùng

aA + bB = cC + dD

(nhieät ñoát chaùy)

H1

H2

H3

H4

Hp.ö = a H1 + b H2 – (c H3 + d H4)

32

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• ÖÙNG DUÏNG ÑÒNH LUAÄT HESS

• CHU TRÌNH BORN-HABER

• ÖÙng duïng ñeå tính naêng löôïng maïng tinh theå.

• Ví duï: • Duøng chu trình Born-Haber ñeå tính naêng löôïng maïng

tinh theå NaCl cho moät mol.

Na+(r) + Cl-(k)

NaCl(r)

– Bieát: Nhieät thaêng hoa cuûa Na, nhieät phaân ly cuûa Cl2, naêng löôïng ion hoùa cuûa Na(k), aùi löïc cuûa Cl(k) vaø nhieät taïo thaønh cuûa NaCl(r).

33

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Chu trình Born – Haber bieåu dieãn nhö sau

Na(k)+Cl(k)

Na(r)+1/2Cl2(k)

thNa 1/2DCl2

Htt[NaCl]

INa

ECl

tinh theå[NaCl]

Na+(k)+Cl-(k)

NaCl (r)

34

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Ví duï: Tính naêng löôïng lieân keát HCl, Hlk[HCl] •

(ÔÛ ñieàu kieän chuaån thì H0

lk[HCl], tuøy ñieàu kieän phuø hôïp)

H(k) + Cl(k) = HCl(k), Hlk[HCl]

Bieát: Nhieät phaân ly cuûa H2, Cl2 vaø nhieät taïo thaønh

cuûa HCl(k), Htt[HCl].

35

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Chu trình Born - Haber

Htt[HCl]

HCl (k)

1/2H2(k)+1/2Cl2(k)

1/2DH2

1/2DCl2

lk[HCl]

H(k)+ Cl(k)

36

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

SÖÏ AÛNH HÖÔÛNG CUÛA NHIEÄT ÑOÄ ÑEÁN HIEÄU ÖÙNG NHIEÄT ÑÒNH LUAÄT KIRCHOFF

Nhieät dung (C): Laø nhieät löôïng caàn thieát ñeå naâng

nhieät ñoä cuûa moät mol chaát leân 1K (hay 10C) C = Q/ T

– Ñôn vò cuûa nhieät dung : cal(J)/mol.ñoä

nhieät dung phaân töû ñaúng tích

Khi V = const •

CV = U/ T

Khi p = const nhieät dung phaân töû ñaúng aùp

Cp = H/ T

37

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Ñònh luaät Kirchoff

• H1: Hieäu öùng nhieät ôû nhieät ñoä T1. • H2: Hieäu öùng nhieät ôû nhieät ñoä T2. • Cp =

Cp saûnh phaåm -

Cp taùc chaát (coù

nhaân vôùi heä soá tæ löôïng a, b, c, d).

38

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Thöïc teá aùp duïng trong khoaûng nhieät ñoä nhoû:

•

HT = H0

298 + Cp(T-298)

• Ví duï: Xaùc ñònh hieäu öùng nhieät cuûa phaûn

öùng sau ôû 398K:

CO (k) + ½ O2(k) = CO2(k)

39

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

• Cho H0

298 cuûa phaûn öùng laø -67.64 kcal/mol

• Nhieät dung phaân töû ñaúng aùp cuûa CO, O2 vaø CO2

laàn löôït laø 6.97, 7.05 vaø 8.06 cal/mol.ñoä.

• Ta coù:

Cp = 8.06 – 6.97 – 7.05/2 = -2.435 cal/mol.ñoä

• H398 = -67.64 – 2.435.10-3(398-298) -67.8835 kcal/mol

40

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt