CHƯƠNG NHIỆT HÓA HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT HÓA HỌC • Nhiệt động học nghiên cứu chuyển biến tương hổ dạng lượng khác dựa sở hai nguyên lý: • Nguyên lý 1: – Năng lượng không tự nhiên sinh hay mà chuyển từ dạng sang dạng khác • Nguyên lý 2: – Nhiệt chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp • p dụng vào nhiệt động hóa học • Nhiệt động hóa học (Chemical Thermodynamics) nghiên cứu quy luật chuyển biến tương hổ hóa dạng lượng khác, hiệu ứng nhiệt trình hóa học, điều kiện bền vững hệ quy luật thay đổi trình hóa học • Nhiệt động hóa học mô tả liên hệ lượng hoá học cuả phản ứng đến tác chất sản phẩm (biểu diễn khả xảy phản ứng) • Nhiệt hóa học nghiên cứu hiệu ứng nhiệt, lượng nhiệt phát hay thu vào trình hóa học • Đơn vò lượng theo hệ SI joule, J • Chuyển đổi từ joule (J) sang calorie (cal): – cal = 4.184 J Một số khái niệm • Hệ: – Là vật hay nhóm vật thể nhăn cách với môi trường xung quanh bề mặt tưởng tượng hay bề mặt vật lý • Hệ cô lập: – Là hệ không trao đổi nhiệt, lượng, chất với môi trường xung quanh • Hệ kín (đóng): – Không trao đổi chất mà có khả trao đổi lượng với môi trường bên • Hệ hở (mở): – Có khả trao đổi chất, nhiệt, lượng với môi trường bên • Hệ cân bằng: – Là hệ có thông số trạng thái xác đònh điều kiện • Hệ đồng thể: – Là hệ có pha (không có phân chia pha), bề mặt phân chia • Hệ dò thể: – Có hai pha trở lên có bề mặt phân chia Thông số hàm số trạng thái • Thông số trạng thái kiện: p, m, v… • Phương trình trạng thái: Dùng biểu diễn tương quan tập hợp trạng thái hệ điều kiện xác đònh – Ví dụ: pv = nRT • Các hàm số trạng thái phụ thuộc trình đầu cuối, không phụ thuộc đường – Các hàm trạng thái: Nội (U), Enthalpy (H), Entropy (S), lượng tự Gibbs (G) (có thể coi T, p hàm trạng thái) – Nhiệt (q) công (w) hàm trạng thái • Các trình • • Khi hệ chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác, tức hệ thực trình • Quá trình thuận nghòch (TN): Xảy theo hai chiều ngược tương đối chậm, trình đạt đến cân động • Quá trình bất TN: Là trình xảy theo chiều, không diễn theo chiều ngược lại • Quá trình đẳng tích (Isochoric process, V = const) • Quá trình đẳng áp (Isobaric process, p = const) • Quá trình đẳng nhiệt (Isothermal process, T= const) Nhiệt công Nguyên lý nhiệt động học mô tả: • E = q + A Ở đây: –E = Năng lượng trao đổi –q = Nhiệt trao đổi –A = Công thực (Ký hiệu w hay A) A = At + A’ At: công thể tích (giãn nở, học) At = pV = nRT = nRTln(p1/p2) • A’: công hữu ích (công điện trường, từ trường, hóa học…) Q = m.C.t – m: Khối lượng hệ (vật) nhận nhiệt, g – C: nhiệt dung riêng (specific heat capacity), J/(g.0C), hay cal/(g.0C)- Là nhiệt lượng cần thiết để nâng g chất lên độ (K hay C) – t = t2 – t1 (sự thay đổi nhiệt độ trước sau nhận nhiệt, 0C 10 ĐỊNH LUẬT HESS • Hiệu ứng nhiệt trình hóa học phụ thuộc vào chất trạng thái chất đầu sản phẩm cuối không phụ thuộc vào đường trình, nghóa không phụ thuộc vào số đặc điểm giai đoạn trung gian 26 Các ví dụ Kết quả:  H1 =  H2 +  H3 27 CH4(k)  C(r) + H2(k)  H1 O2(k)  O2(k)  H2 C(r) + O2(k)  CO2(k)  H3 H2(k) + O2(k)  H2O(l)  H4 CH4(k) + O2(k)  CO2(k) + H2O(l), Htổng Htổng =  H1 +  H2 +  H3 +  H4 A H1 H2 H Chất phản ứng H B H4 Sản phẩm H5 phản ứng C H = H1 + H2 = H3 + H4 + H5 29 HỆ QUẢ ĐỊNH LUẬT LAVOISIER AND LAPLACE • Lượng nhiệt hấp thu chất phân hủy thành nguyên tố lượng nhiệt phát tạo thành hợp chất từ nguyên tố A + B = A , H1 AB = A + B, H2 H1 = H2 30 CÁC ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN • Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt tạo thành Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt tạo thành sản phẩm phản ứng trừ tổng nhiệt tạo thành chất ban đầu VD: Phản ứng aA + bB = cC + dD  H1  H2  H3  H4 (nhiệt tạo thành) Hp.ư = cH3 + dH4 – (aH1 + bH2) 31 Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt đốt cháy • Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt đốt cháy chất đầu trừ tổng nhiệt đốt cháy sản phẩm VD: Phản ứng aA + bB = cC + dD H1 H2 H3 H4 (nhiệt đốt cháy) Hp.ư = aH1 + bH2 – (cH3 + dH4) 32 • ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT HESS • CHU TRÌNH BORN-HABER • Ứng dụng để tính lượng mạng tinh thể • Ví dụ: • Dùng chu trình Born-Haber để tính lượng mạng tinh thể NaCl cho mol Na+(r) + Cl-(k)  NaCl(r) – Biết: Nhiệt thăng hoa Na, nhiệt phân ly Cl2, lượng ion hóa Na(k), lực Cl(k) nhiệt tạo thành NaCl(r) 33 • Chu trình Born – Haber biểu diễn sau Na(r)+1/2Cl2(k) thNa 1/2DCl2 Htt[NaCl] NaCl (r) tinh thể[NaCl] Na(k)+Cl(k) INa ECl Na+(k)+Cl-(k)    H tinhthe [ NaCl ]  H tt [ NaCl ]   H thNa  DCl2  I Na  ECl    34 • Ví dụ: Tính lượng liên kết HCl, Hlk[HCl] • (Ở điều kiện chuẩn H0lk[HCl], tùy điều kiện phù hợp) H(k) + Cl(k) = HCl(k), Hlk[HCl] Biết: Nhiệt phân ly H2, Cl2 nhiệt tạo thành HCl(k), Htt[HCl] 35 • Chu trình Born - Haber 1/2H2(k)+1/2Cl2(k) 1/2DH2 Htt[HCl] HCl (k) 1/2DCl2 lk[HCl] H(k)+ Cl(k) 1 D H  DCl  H lk HCl 2 1  0  H lk HCl  H tt   DH  DCl  2  H tt  36 SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN HIỆU ỨNG NHIỆT ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF Nhiệt dung (C): Là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ mol chất lên 1K (hay 10C) C = Q/T – Đơn vò nhiệt dung : cal(J)/mol.độ Khi V = const  nhiệt dung phân tử đẳng tích T • CV = U/T U  C dT  V T1 Khi p = const nhiệt dung phân tử đẳng áp T Cp = H/T H   CpdT T1 37 • Đònh luật Kirchoff T2 H  H1   C p dT T1 • H1: Hiệu ứng nhiệt nhiệt độ T1 • H2: Hiệu ứng nhiệt nhiệt độ T2 • Cp =  Cp sảnh phẩm -  Cp tác chất (có nhân với hệ số tỉ lượng a, b, c, d) aA  bB  cC  dD  C P  cC PC  dC PD  aC PA  bC PB  38 • Thực tế áp dụng khoảng nhiệt độ nhỏ: • HT = H0298 + Cp(T-298) • Ví dụ: Xác đònh hiệu ứng nhiệt phản ứng sau 398K: CO (k) + ½ O2(k) = CO2(k) 39 • Cho H0298 phản ứng -67.64 kcal/mol • Nhiệt dung phân tử đẳng áp CO, O2 CO2 6.97, 7.05 8.06 cal/mol.độ • Ta có: Cp = 8.06 – 6.97 – 7.05/2 = -2.435 cal/mol.độ • H398 = -67.64 – 2.435.10-3(398-298) -67.8835 kcal/mol 40 ... H2 30 CÁC ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN • Tính hiệu ứng nhiệt dựa vào nhiệt tạo thành Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng nhiệt tạo thành sản phẩm phản ứng trừ tổng nhiệt tạo thành chất ban đầu VD: Phản ứng aA... hổ hóa dạng lượng khác, hiệu ứng nhiệt trình hóa học, điều kiện bền vững hệ quy luật thay đổi trình hóa học • Nhiệt động hóa học mô tả liên hệ lượng hoá học cuả phản ứng đến tác chất sản phẩm... HESS • Hiệu ứng nhiệt trình hóa học phụ thuộc vào chất trạng thái chất đầu sản phẩm cuối không phụ thuộc vào đường trình, nghóa không phụ thuộc vào số đặc điểm giai đoạn trung gian 26 Các ví