Hóa Đại Cương – HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

Trần Minh Hương

Bài giảng Hóa Đại Cương

PHẦN II. CÁC QUY LUẬT DIỄN RA CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

CHƯƠNG IV: HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

1. 1. NHIỆT PHẢN ỨNG

1. 1. Các khái niệm cơ bản

1. 1. 1. Khái niệm về nhiệt động lực học và nhiệt động hóa học

• • Nhiệt động lực học là khoa học nghiên cứu các quy luật điều khiển sự trao đổi năng lượng, đặc biệt là những quy luật có liên quan tới các biến đổi nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác.

Cơ sở lý thuyết của nó là 2 nguyên lý của nhiệt động lực học

• • Nhiệt động hóa học: là lãnh vực khoa học nghiên cứu các quy luật về sự biến chuyển tương hỗ của hóa năng và các dạng năng lượng trong quá trình hóa học

Nhiệt động hóa học cho phép giải quyết nhiều vấn đề quan trọng của hóa học:

• • Xác định năng lượng liên kết

• • Dự đoán chiều hướng diễn ra của quá trình hóa học

• • Dự đoán mức độ tự diễn ra của quá trình hóa học và từ đó có thể xác định được hiệu suất của phản ứng

1. 1. 1. Hệ nhiệt động: là lượng nhất định của một hay nhiều chất ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và nồng độ nhất định. Phần còn lại của vũ trụ bao quanh hệ được gọi là môi trường.

Hệ + Môi trường xung quanh = Vũ trụ

Người ta phân biệt:

• • Hệ hở: là hệ có thể trao đổi cả chất và năng lượng (nhiệt và công) với môi trường.

• • Hệ kín: là hệ không có sự trao đổi chất mà chỉ có sự trao đổi năng lượng với môi trường, và thể tích của nó có thể thay đổi

• • Hệ cô lập: là hệ không trao đổi cả chất và năng lượng với môi trường

• • Hệ đồng thể: là hệ có các tính chất hóa lý giống nhau ở mọi điểm của hệ

• • Hệ dị thể: là hệ có bề mặt phân chia hệ thành những phần có tính chất hóa lý khác nhau.

• • Pha: là phần đồng thể của hệ dị thể, có thành phần, cấu tạo, tính chất nhất địnhvà được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia nào đó. Như vậy hệ đồng thể là hệ một pha, còn hệ dị thể là hệ nhiều pha.

• • Hệ cân bằng: là hệ có nhiệt độ, áp suất, thành phần giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian.

1. 1. 1. Trạng thái và các thông số của hệ:

• • Trạng thái của hệ được xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất hóa lý của hệ

• • Thông số trạng thái: là tất cả các thông số đặc trưng cho hệ và cho mối liên hệ giữa hệ và môi trường xung quanh (T, P, V, nội năng U, số mol n của mỗi chất trong hệ, và bất kỳ thông số suy diễn nào có được từ các thông số trạng thái). Các thông số trạng thái liên hệ với nhau bằng các phương trình trạng thái. Các thông số trạng thái chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình. Các thông số trạng thái được chia thành hai loại: dung độ và cường độ.

• • • Thông số cường độ: là những thông số không phụ thuộc vào lượng chất như nhiệt độ T, áp suất p, nồng độ C, mật độ, tỷ khối, thể tích riêng, thể tích mol… Các thông số cường độ đặc trưng cho hệ vì không có tính cộng

• • • Thông số dung độ (khuyếch độ) là những thông số phụ thuộc vào lượng chất, như khối lượng m, thể tích V, nội năng U, entalpi, entropi … Với các hệ lý tưởng các thông số khuyếch độ có tính cộng; nghĩa là khuyếch độ của hệ bằng tổng khuyếch độ của các hợp phần. Ví dụ V = Vi

• • Trạng thái cân bằng: là trạng thái tương ứng với hệ cân bằng khi các thông số trạng thái giống nhau ở mọi điểm của hệ và không thay đổi theo thời gian.

• • Hàm trạng thái: là đại lượng nhiệt động có giá trị chỉ phụ thuộc các thông số trạng thái của hệ mà không phụ thuộc vào cách biến đổi (đường đi) của hệ: T, P, V, U…

• • Hàm quá trình: là các thông số phụ thuộc vào đường đi của quá trình: Q, A…

• • Trạng thái chuẩn của chất tương ứng các điều kiện chuẩn:

• • Chất phải tinh khiết và ở trạng thái liên hợp bền dưới áp suất và nhiệt độ chuẩn.

• • Nếu là chất rắn phải ở dạng đa hình bền ở điều kiện nhiệt độ, áp suất chuẩn.

• • Nếu là chất khí thì phải là khí lý tưởng ở áp suất chuẩn.

• • Nếu là chất ở trong dung dịch thì nồng độ của nó phải là 1 mol/lít.

• • Áp suất chuẩn là 101,325 kPa (tương ứng 1 atm)

• • Nhiệt độ chuẩn có thể là nhiệt độ bất kỳ, nhưng thực tế thường lấy nhiệt độ 298,15K (tương ứng 250C)

1. 1. 1. Quá trình: là sự biến đổi xảy ra trong hệ gắn liền với sự thay đổi của ít nhất là một thông số trạng thái.

• • Quá trình thuận nghịch: là quá trình có thể xảy ra theo 2 chiều ngược nhau và tương đối chậm, sao cho ở mỗi thời điểm người ta có thể biết được trạng thái của hệ. Quá trình thuận và quá trình nghịch cùng đi theo một con đường và do đó hệ không gây ra một biến đổi nào về môi trường xung quanh.

• • Quá trình bất thuận nghịch: là quá trình không tuân theo các điều kiện trên. Tất cả các quá trình tự diễn ra trong tự nhiên đều là bất thuận nghịch.

• • Quá trình đẳng áp: p = const

• • Quá trình đẳng tích: V = const

• • Quá trình đẳng nhiệt: T = const

• • Quá trình đoạn nhiệt : Q = const. Hệ không trao đổi nhiệt song có thể trao đổi công với môi trường xung quanh.

1. 1. Các đại lượng nhiệt động

• Nội năng U:

• Nội năng của một chất chỉ dự trữ năng lượng của chất đó, bao gồm năng lượng của tất cả các dạng chuyển động của nguyên tử (tịnh tiến, quay, dao động), của electron và hạt nhân, năng lượng chứa đựng trong hạt nhân nguyên tử và thế năng của nó ở trong trọng trường. Nói cách khác, nội năng là năng lượng toàn phần của hệ trừ động năng và thế năng toàn hệ.

• Đơn vị đo: J/mol; cal/mol 1 cal = 4,184J

• Người ta không thể xác định được trị tuyệt đối của nội năng (vì không thể đưa hệ về nhiệt độ 0 tuyệt đối), nhưng dựa vào năng lượng phát ra hay thu vào của một hệ người ta có thể suy ra một cách chính xác độ biến thiên nội năng U của hệ khi chuyển từ trạng thái có nội năng U1 sang trạng thái có nội năng U2: U = U2 – U1

• • • Khi truyền một nhiệt lượng Q cho hệ, trong trường hợp chung, lượng nhiệt đó sẽ dùng để làm tăng nội năng của hệ (hệ nóng lên) và thực hiện một công dãn nở A: Q = U + A

Công dãn nở A = P V = U + P V

Nếu quá trình là đẳng tích: V = 0 (công dãn nở A = 0)

QV = U

→ Trong quá trình đẳng tích, nếu hệ không thực hiện một công nào khác thì nhiệt lượng QV cung cấp cho hệ sẽ làm thay đổi nội năng U của hệ.

Tuy nhiên các phản ứng hóa học thường được thực hiện ở áp suất không đổi của khí quyển là 1 atm

• • Entanpi H

• • • Trong trường hợp áp suất không đổi ta có:

Qp = U +PV mà U = U2­ – U1

V = V2 – V1

Nên : Qp = (U2 – U1) + P(V2 – V1)

= (U2 – PV2) – (U1 + PV1)

đặt : H = U + PV. H được gọi là entanpi và cũng là một thông số trạng thái của hệ. H bao gồm U và khả năng sinh công tiềm ẩn của hệ. Vậy H là dự trữ năng lượng toàn phần của hệ.

Vậy: Qp = H2 – H1 = H

→ Trong quá trình đẳng áp, nếu hệ không thực hiện công nào khác ngoài công dãn nở thì nhiệt lượng Qp cung cấp cho hệ sẽ làm thay đổi entanpi của hệ

• • • Đơn vị đo: kJ/mol

• • • • Nhiệt dung

• • Nhiệt dung của một chất là lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của chất lên thêm 10

• • Nhiệt dung riêng – nhiệt dung của 1 mol chất

• • Đơn vị đo: J/mol.K

Mà: Qp = H QV = U

Nên:

• • Đối với các khí lý tưởng: Cp – CV = R

II. PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC

1. Nhiệt của các quá trình hóa học

a. Hiệu ứng nhiệt

• • Hiệu ứng nhiệt: là lượng nhiệt mà hệ thu vào hay phát ra trong quá trình hóa học dùng để thay đổi nội năng hoặc entanpi của hệ

• • Thông thường các phản ứng hóa học xảy ra trong điều kiện đẳng áp nên hiệu ứng của nhiệt phản ứng hóa học chính là độ thay đổi entanpi H

• • Trong các phản ứng chỉ có chất lỏng và chất rắn tham gia: V 0. Nếu những phản ứng này được thực hiện ở áp suất tương đối bé như áp suất khí quyển thì P V 0 nên H U

• • Trong các phản ứng có chất phản ứng hay sản phẩm là chất khí, H và U có thể khác nhau

Đối với khí lý tưởng: PV = nRT

Nên: P V = RT n

Khi n = 0 thì H = U

n 0 thì H U

b. Phương trình nhiệt hóa học

• • Phương trình nhiệt hóa học là phương trình phản ứng hóa học thông thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm

• • Quy ước: Phản ứng thu nhiệt có