Đang tải... (xem toàn văn)
Chương 1 được tổng hợp bởi sinh viên Trường Đại học KHTN TPHCM, nguồn từ giáo trình HCMUS, General Chemistry của Petrucci, giáo trình HCMUT, kênh YT The Organic Chemistry Tutor và Google. Khuyến khích các bạn đọc thêm các tài liệu khác để nâng cao kiến thức, vì tài liệu này chỉ tóm tắt bài giảng, notes của sinh viên và chủ yếu phù hợp nhất cho sinh viên Trường KHTN TPHCM
Mục lục I Khái niệm II Nguyên lý I nhiệt động lực học III ∆U VÀ ∆H : biến thiên nội biến thiên Enthalpy IV Định luật Hess V Tính nhiệt phản ứng theo lượng nối Dạng tập Hóa đại cương Chương 1: Nhiệt Hóa học Trao đổi lượng biến đổi hóa học Nội dung: • • • I Một số khái niệm Năng lượng, nhiệt công Nguyên lý I nhiệt động lực học áp dụng vào tập Khái niệm • Hệ mở: hệ có khả trao đổi chất (matter) lượng (energy) với môi trường ➢ Ex: Đun sôi nước, đổ ly Nước bốc ( trao đổi chất, làm giảm khối lượng nước, thể tích nước), để ngồi, nước sơi dần nguội ( khả trao đổi lượng, truyền nhiệt mơi trường bên ngồi ) • Hệ kín: hệ có khả trao đổi lượng khơng trao đổi chất với môi trường ➢ Ex: Khi để ly nước sơi ngồi, dung nắp silicon đậy kín => nước bốc khơng ngồi đọng lại nắp silicon ( khơng có thay đổi thể tích, khối lượng) để ly ngồi nhiệt độ ly giảm truyền nhiệt mơi trường ( trao đổi lượng) • Hệ lập: hệ khơng có khả trao đổi chất lượng với mơi trường ngồi ➢ Ex: Bình giữ nhiệt • Hệ đồng thể / hệ dị thể: hệ đồng thể hệ có tính chất hóa lý nhau, chất, dung dịch khơng phân chia bề mặt Hệ dị thể ngược lại ➢ Ex: Dầu ăn nước => hệ dị thể // khơng khí, CO2, O2, N2, khơng thể thấy khí phân chia bề mặt với nhau, khơng thể nhìn thấy, khơng thể phân biệt mắt thường, => hệ đồng thể • Pha: phần đồng thể hệ dị thể, có thành phần cấu tạo, tính chất định phân chia với phần khác ➢ Ex: Dầu ăn nước hệ dị thể Trong hệ có hai pha, pha thứ dầu ăn, pha thứ hai nước • Nhiệt lượng ( Heat ): lượng nhiệt trao đổi hệ môi trường nhiệt độ thay đổi ( an energy transferred between surroundings and system as a result of temperature’s change ) Tuy nhiên, trao đổi nhiệt không khiến nhiệt độ thay đổi mà cịn thay đổi trạng thái hệ ( q trình chuyển pha ) Ví dụ đun sơi nước, nhiệt độ tăng nước biến thành ❖ Lưu ý: thường hay nói “nhiệt bị đi”, “nhận nhiệt” “hệ truyền nhiệt ngoài”, nhận định dễ khiến ta lầm tưởng hệ có nhiệt Thực tế hệ khơng chứa nhiệt Hệ có lượng riêng gọi nội Khi hệ trao đổi lượng với mơi trường lượng gọi nhiệt Nhiệt lượng ( the quantity of heat ) phụ thuộc vào điều sau: - Nhiệt độ thay đổi ? Lượng chất tham gia phản ứng Tính chất chất tham gia phản ứng Lượng nhiệt để làm nóng gam chất lên độ C gọi nhiệt dung riêng ( molar heat capacity ) Lượng nhiệt để làm nóng chất ( hệ ) lên độ C gọi nhiệt dung ( heat capacity) Nhiệt lượng tính nhiệt dung riêng : Q = m x C x ∆𝑇 Nhiệt lượng tính nhiệt lượng kế: Q = C x ∆𝑇 Phát biểu: tương tác hệ môi trường, tổng lượng số, lượng không tự biến tự tạo thêm Qsystem= - Qsurroundings • • • • • • • • • II Hàm trạng thái: đại lượng nhiệt động phụ thuộc vào giá trị thông số đầu cuối, không phụ thuộc vào đường Trạng thái cân nhiệt động: tính chất đặc trưng cho hệ khơng thay đổi nồng độ chất Cân nhiệt: tất thành phần hệ có nhiệt độ Cân hóa học: thành phần hóa khơng thể thay đổi, hóa phần tử tạo nên hệ có giá trị Cân học: tổng lực hệ Thông số trạng thái ( thông số khuếch độ, dung độ ) không phụ thuộc đường đi, phụ thuộc hệ số đầu cuối, 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 ( potential energy) động ( kinetic energy): dạng lượng dự trữ, ví dụ việc ta nâng bóng lên cao = cho bóng lượng dự trữ ( lượng phát ta thả bóng xuống đất ) => Thế năng lượng xác định dựa vị trí, cấu trúc vật, đồng thời cịn có nghĩa lượng tương tác lẫn vật / lực hút Lượng nhiệt phát hay thu vào gọi hiệu ứng nhiệt: q, biến thiên enthalpy, Nguyên lý I nhiệt động lực học ✓ Định luật bảo toàn lượng theo nguyên lý I Định luật bảo toàn lượng dựa nguyên lý I nhiệt động lực học: Trong phản ứng trao đổi chất hệ môi trường, lượng số ( constant ) – khơng tự sinh tự đi, mà chuyển từ lượng sang lượng khác Ví dụ động ( tăng, động giảm, giảm động tăng ) Ngoài ra, hệ thống biến đổi theo chu trình kín, cơng phóng thích mơi trường ngồi lượng nhiệt hấp thụ từ mơi trường ngồi vào hệ thống, ví dụ như: ngồi lâu ghế đứng dậy ghế nóng Ghế tác động lên ta lực ( lực nâng ) => sinh công, đứng dậy, ta thấy ghế nóng => ghế nhận nhiệt Một hệ có nội Một hệ khơng có lượng nhiệt công Nhiệt công dạng lượng/ phương thức mà hệ dung để trao đổi với môi trường ( nhiệt công thông số cường độ) Tức là, nhiệt cơng tồn có thay đổi 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 ) ▪ Nội U biến thiên nội Trong trường hợp tổng quát, lượng E hệ mơi trường ngồi gồm thành phần: động ( chuyển động ), ( tương tác với mơi trường ngồi, ví dụ táo tương tác với lực hút trái đất ) lượng sẵn có bên hệ E = Ed + Et + U Trong trường hợp hệ trạng thái không chuyển động, tương tác với mơi trường lượng hệ E = U Vậy biến thiên nội có thay đổi bên hệ, ví dụ từ rắn sang lỏng có thay đổi cấu trúc hệ ∆𝑈 = 𝑈 𝑠𝑎𝑢 − 𝑈 đầ𝑢 Nội phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, lượng chất, chất, thể tích thành phần hệ Nhưng hệ gồm n mol khí lý tưởng, nội phụ thuộc vào nhiệt độ áp suất thể tích khơng ảnh hưởng lên hạt ( trạng thái khí lý tưởng bỏ qua tương tác chúng, mà dạng lượng phải có tương tác vật thể với => PV = nRT công thức khí có phụ thuộc vào V P, chúng không ảnh hưởng tới hệ ) Câu hỏi: Tại nội vật trạng thái rắn phụ thuộc vào thể tích nhiệt độ vật, cịn trạng thái khí lí tưởng phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào thể tích ? Nhiệt độ vật liên quan đến vận tốc chuyển động phân tử ( nhiệt độ cao phân tử chuyển động hỗn loạn ), nghĩa liên quan đến động phân tử, cịn thể tích vật liên quan đến khoảng cách phân tử, nghĩa liên quan đến lực tương tác phân tử phân tử Đối với chất rắn lực tương tác phân tử lớn nên phân tử cấu tạo nên vật đáng kể nội vật vừa phụ thuộc vào nhiệt độ, vừa phụ thuộc vào thể tích ; cịn khí lí tưởng lực tương tác phân tử khơng đáng kể, nên phân tử khơng đáng kể, nội phụ thuộc nhiệt độ, không phụ thuộc thể tích ▪ Cơng A ( ký hiệu W ) Là công mà hệ thực trình hệ chuyển từ trạng thái sang để chống lại lực bên tác dụng lên hệ áp suất, điện trường, từ trường,… Quá trình đẳng tích: A = Q trình đẳng áp: A = W = P x ∆𝑉 ( trình ngưng tụ delta V = ) Nếu q trình xảy hệ khí lý tưởng, T = const P∆V = ∆nRT Quá trình đẳng nhiệt xảy hệ khí lý tưởng ( T = const ) P1 x V1 = P2 x V2 A = nRT x lnP1/P2 = nRT x lnV2/V1 III • ∆U VÀ ∆H : biến thiên nội biến thiên Enthalpy Biến thiên Enthalpy Là lượng nhiệt tỏa hay thu vào trình đẳng áp ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃∆𝑉 = 𝐻2 − 𝐻1 Nếu trường hợp khí lý tưởng ( khí lý tưởng bỏ qua tương tác phân tử khí mà việc thay đổi thể tích có ảnh hưởng tới tương tác chất khí nên delta V 0), đẳng nhiệt thì: ∆𝐻 = ∆𝑉 = ∑ 𝑉𝑠𝑝 − ∑ 𝑉𝑡𝑐 Ví dụ phương trình: aA + bB => cC + dD ∆𝑉 = ( 𝑐𝑉𝑐 + 𝑑𝑉𝑑 ) − ( 𝑎𝑉𝑎 + 𝑏𝑉𝑏) Đối với q trình có chất phản ứng hay sản phẩm thể khí xảy áp suất thấp ( xem gần với khí lý tưởng ) kết hợp biểu thức biến thiên enthalpy phương trình trạng thái khí lý tưởng ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆𝑛 𝑅𝑇 ∆𝑛 = ∑ 𝑛(𝑠𝑝) − ∑ 𝑛(𝑡𝑐) Ví dụ phản ứng tổng quát aA (k) + bB (r) => cC (k) + dD (k) ∆𝑛 = (𝑛𝐶 + 𝑛𝐷 ) − 𝑛𝐴 Enthalpy tỉ lệ thuận với khối lượng chất Đổi chiều phản ứng, dấu enthalpy thay đổi Enthalpy trạng thái tiêu chuẩn ∆𝐻° Thường quy T = 25° C, ký hiệu ∆𝐻° • Nhiệt đẳng tích, nhiệt đẳng áp Nhiệt dung mol P = const gọi nhiệt dung mol đẳng áp, ký hiệu Cp Nhiệt dung mol V = const gọi nhiệt dung mol đẳng tích, ký hiệu Cv Đối với khí lý tưởng: Cp = Cv + R Đối với chất rắn lỏng hai đại lượng có giá trị gần ngang Trong khoảng nhiệt độ ( T2 – T1 ) khơng lớn xem hai đại lượng khơng phụ thuộc vào nhiệt độ, 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 chất hiệu ứng nhiệt phản ứng để tạo thành mol chất từ đơn chất trạng thái bền vững Nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn ( thiêu nhiệt, hiệu ứng nhiệt phản ứng cháy ∆𝐻°𝑐 ) ✓ ✓ ✓ Thiêu nhiệt biến thiên enthalpy mol chất cháy hoàn toàn đktc Nhiều chất khơng có nhiệt đốt cháy Sản phẩm cuối cháy CO2, O2, có thiêu nhiệt = Thiêu nhiệt ln âm ( phản ứng tỏa nhiệt ), trị tuyệt đối lớn nhiệt hình thành Nếu phản ứng xảy nhiều giai đoạn biến thiên enthalpy phản ứng tổng biến thiên enthalpy phản ứng thành phần phụ thuộc vào chất, trạng thái hệ, đầu cuối, không phụ thuộc vào đường Hệ 1: Nhiệt phân hủy chất = Nhiệt hình thành hợp chất ngược dấu Hệ 2: Hiệu ứng nhiệt tổng nhiệt hình thành sản phẩm trừ tổng nhiệt hình thành tác chất Hệ 3: Hiệu ứng nhiệt tổng thiêu nhiệt tác chất trừ tổng thiêu nhiệt sản phẩm V Tính nhiệt phản ứng theo lượng nối Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng lượng liên kết bị đứt trừ tổng lượng liên kết ráp Năng lượng nối EAB liên kết A – B lượng giải phóng (tỏa nhiệt) hình thành phân tử AB từ hai nguyên tử A B thể khí ( E< ) Năng lượng phân ly liên kết DA-B lượng cần cung cấp để phá vỡ liên kết A -B (thu nhiệt), tách rời hai nguyên tử A – B riêng biệt ( D > ) ∆𝐻° = ∑ 𝐸 𝑟á𝑝 𝑛ố𝑖 − ∑ 𝐸 𝑐ắ𝑡 𝑛ố𝑖 = ∑ 𝐷 𝑐ắ𝑡 𝑛ố𝑖 − ∑ 𝐷 𝑟á𝑝 𝑛ố𝑖 Ảnh hưởng nhiệt độ đến hiệu ứng nhiệt phản ứng: ∆𝐻2 = ∆𝐻1 + 𝑛 𝐶𝑝 (𝑇2 − 𝑇1) ∆𝐶𝑃 = ∑ 𝐶𝑝(𝑠𝑝) − ∑ 𝐶𝑝(𝑡𝑐) Dạng tập Dạng 1: Nhiệt lượng Dạng 2: Công Dạng 3: Nội 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 công, 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 nhiệt dung, CH2O = 4,18 J/°𝐶) ∆𝐻° = ∑ 𝐻°𝑐(𝑡𝑐) − ∑ 𝐻°(𝑠𝑝) ∆𝐻° = ∑ 𝐸(𝑠𝑝) − ∑ 𝐸(𝑡𝑐) (E0) EA ∆𝐻 đơn chất trạng thái bền Trạng thái bền (Các nguyên tố hợp chất trạng thái vật lý (thể) bình thường) • Chất rắn: dạng đa hình bền • Chất khí: khí lý tưởng • Chất dd: C=1mol/l = ∑ 𝐻(𝑡ℎà𝑛ℎ 𝑝ℎầ𝑛) 𝐴 + 𝐵 => 𝐶 + 𝐷 ∆𝐻°1 𝑎 × 𝐴 + 𝑎 × 𝐵 => 𝑎 × 𝐶 + 𝑎 × 𝐷 ∆H2= 𝑎 × ∆𝐻1 • Áp suất chuẩn 1bar ( 101,325kPa) • Chất tinh khiết trạng thái liên hợp bền • Nhiệt độ chuẩn nhiệt độ bất kí ∆𝐻 < 0: 𝑡ỏ𝑎 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 ∆𝐻 > 0: 𝑡ℎ𝑢 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡