›
›

Hóa học - Chương VI: Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

pdf 84 trang vanle 3140
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Hóa học - Chương VI: Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfhoa_hoc_chuong_vi_hieu_ung_nhiet_cua_cac_qua_trinh_hoa_hoc.pdf

Nội dung text: Hóa học - Chương VI: Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

  1. Chương VI. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Giảng viên: Nguyễn Minh Kha
  2. I. NHIỆT PHẢN ỨNG II. PHƢƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC
  3. I. NHIỆT PHẢN ỨNG 1. Các khái niệm cơ bản 2. Các đại lƣợng nhiệt động
  4. 1. Các khái niệm cơ bản a. Khái niệm về nhiệt động lực học và nhiệt động hóa học b. Hệ nhiệt động c. Trạng thái và các thông số của hệ d. Quá trình
  5. b. Hệ nhiệt động  Hệ + Môi trƣờng xung quanh = Vũ trụ  Phân loại hệ: Hệ đoạn nhiệt: Q = 0. Hệ đẳng nhiệt: T = 0. Hệ đẳng áp : P = 0. Hệ đẳng tích : V = 0. Hệ dị thể Hệ động thể
  6. Hệ hoá học Môi trƣờng khí H2 và O2
  7. HỆ HỞ HỆ KÍN HỆ CÔ LẬP
  8. Pha  Là tập hợp những phần đồng thể của hệ  Giống nhau về thành phần hóa học và tính chất hóa lý.  Được phân cách với các pha khác bởi bề mặt phân chia pha.  Hệ 1 pha: hệ đồng thể  Hệ nhiều pha: hệ dị thể 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.
  9. c. Trạng thái và các thông số của hệ  Trạng thái của hệ đƣợc xác định bằng tập hợp các thông số biểu diễn các tính chất hóa lý của hệ. . Ví dụ : Khí lý tƣởng PV = nRT →P = nRT/V Dung dịch m = V.d  Thông số trạng thái  Trạng thái cân bằng: là trạng thái tƣơng 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 nhiệt động  Trạng thái chuẩn
  10. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI Thông số dung độ - là thông số tỷ lệ với lƣợng chất nhƣ : thể tích, khối lƣợng, năng lƣợng Có tính chất cộng. Thông số cƣờng độ- không phụ thuộc lƣợng chất n hƣ : nhiệt độ, áp suất .
  11. Các hàm nhiệt động . Hàm nhiệt động là các hàm số đặc trưng cho các trạng thái và quá trình nhiệt động. . Phân loại hàm nhiệt động  Hàm trạng thái: chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của hệ chứ không phụ thuộc vào cách biến đổi hệ: P, V, T, U  Hàm quá trình: phụ thuộc cách biến đổi của hệ: A, Q
  12. Trạng thái chuẩn . Chất phải tinh khiết và ở trạng thái liên hợp bền . Nếu là chất rắn phải ở dạng đa hình bền. . Nếu là chất khí thì phải là khí lý tƣởng. . Nếu là chất ở trong dung dịch thì C = 1 mol/lít. . Áp suất chuẩn là 101,325 kPa (tƣơng ứng 1 atm) . Nhiệt độ chuẩn có thể là nhiệt độ bất kỳ
  13. d. Quá trình Quá trình thuận nghịch Quá trình bất thuận nghịch: Tất cả các quá trình tự diễn ra trong tự nhiên đều là bất thuận nghịch.
  14. 2. Các đại lƣợng nhiệt động  Nội năng U  Entanpi H  Nhiệt dung C
  15. Nội năng U  Nội năng: dự trữ năng lƣợng của chất U = E toàn phần – (động năng + thế năng).  Đơn vị đo: J/mol, cal/mol  Không thể xác định đƣợc U: U = U2 – U1  Xác định U: Q = U + A = U + p V Trong quá trình đẳng tích: V = 0 QV = U
  16. Entanpi H Q = U + p V Trong quá trình đẳng áp: p = const U = U2 – U1 V = V2 – V1 QP = (U2 – U1) + p(V2 – V1) = (U2 + pV2) – (U1 + pV1) = H – H 2 1 QP = H H = U + PV - entanpi - dự trữ E + khả năng sinh công tiềm ẩn của hệ - hàm trạng thái - Đơn vị đo: kJ/mol
  17.  Nhiệt dung C  Nhiệt dung: lƣợng 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 dQ p dQV C CV p dT dT Qp = H QV = U d H d U C C p dT V dT Đối với các khí lý tƣởng: Cp – CV = R
  18. II. PHƢƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC 1) Nhiệt của các quá trình hóa học 2) Định luật Hess và hệ quả 3) Áp dụng định luật Hess
  19. 1. Nhiệt của các quá trình hóa học a) Hiệu ứng nhiệt b) Phƣơng trình nhiệt hóa học c) Nhiệt tiêu chuẩn d) Hiệu ứng nhiệt của các quá trình
  20. a. Hiệu ứng nhiệt  Hiệu ứng nhiệt: lƣợng nhiệt Q mà hệ thu vào/phát ra trong qúa trình hóa học  Thông thƣờng pƣ diễn ra trong điều kiện đẳng áp: Qp = H  Hiệu ứng nhiệt Q = U + p V = U nếu V = 0  Trong các phản ứng chỉ có chất lỏng và chất rắn tham gia  Trong các phản ứng có chất khí: pV = nRT p V = RT n n = 0 H = U n 0 H U
  21. QUAN HỆ GiỮA ∆H VÀ ∆U . H = U + P. V . Phản ứng chỉ có chất rắn, chất lỏng V 0 nên H U . Phản ứng có chất khí P. V = n.R.T (xem khí là khí lý tƣởng) H = U + n.R.T n =  (số mol khí)sp - (số mol khí)cđ tính trong phƣơng trình phản ứng
  22. Ví dụ: Zn(r) + 2HCl(dd) = ZnCl2(dd) + H2(k), = -152.6kJ/mol 0 ½ H2(k) + ½ Cl2(k) = HCl(k) H298 = -92,8kJ/mol C(gr) + H2O(k) = CO(k) + H2(k), = + 131,3 kJ/mol Chú ý: hiệu ứng nhiệt tỷ lệ với lƣợng chất phản ứng và sản phẩm 0 H2(k) + Cl2(k) = 2HCl(k) H298 = - 185,6kJ
  23. b. Phƣơng trình nhiệt hóa học  Phƣơng trình nhhiệt hóa học là phƣơng trình phản ứng hóa học thông thƣờng có ghi kèm hiệu ứng nhiệt của phản ứng và trạng thái tập hợp của các chất  Quy ước: Phản ứng thu nhiệt có H > 0 Phản ứng tỏa nhiệt có H < 0 → Trong điều kiện bình thƣờng, phản ứng tỏa nhiệt ( H < 0) là phản ứng có khả năng tự xảy ra
  24. c. Nhiệt tiêu chuẩn . Lƣợng chất: 1 mol . Áp suất: 1 atm Ký hiệu . (Nhiệt độ: 250C = 298K) 0 H298
  25. d. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình . Nhiệt tạo thành . Nhiệt đốt cháy . Nhiệt của các quá trình chuyển pha . Nhiệt hòa tan . Nhiệt phân ly
  26.  Nhiệt tạo thành hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất tƣơng ứng bền  Ký hiệu nhiệt tạo thành tiêu chuẩn: 0  H 298.tt của mọi đơn chất bền = 0  Nhiệt tạo thành tiêu chuẩn là giá trị tra bảng  Nhận xét: – Htt của đa số các chất là âm. Htt càng âm, hợp chất càng bền. – Trong cùng một dãy đồng đẳng, M nhiệt tạo thành . – HCVC: Htt của các hợp chất cùng loại của nhóm nguyên tố trong bảng HTTH cũng thay đổi một cách có quy luật ( BeF2 – MgF2 – CaF2 Htt)
  27. Nhiệt đốt cháy Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng: 1mol HCHC + O2(k) → CO2(k) + H2O(l) + Ký hiệu nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn  Nhiệt đốt cháy của các chất là đại lượng tra bảng 0 H298.dc  Nhận xét: • Tất cả các chất đều có nhiệt đố cháy âm. • Nhiệt đốt cháy của một chất thường lớn hơn nhiệt tạo thành của nó và có giá trị trên 400 kJ
  28. Nhiệt của các quá trình chuyển pha . Quá trình thăng hoa: I2(r) = I2(k) 62,44 kJ . Quá trình bay hơi: H2O(ℓ) = H2O(k) 44,01 kJ . Quá trình nóng chảy: AlBr3(r) = AlBr3(ℓ) 11,33 kJ . Quá trình chuyển từ vô định hình sang trạng thái tinh thể: B2O3(vđh) = B2O3(tt) 18,39 kJ . Quá trình chuyển biến đa hình từ dạng grafit sang kim cƣơng: 0 C(gr) = C(kc) H298 1,895 kJ
  29.  Nhiệt hòa tan . Nhiệt hòa tan là hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan 1 mol chất tan vào trong dung môi. . Quá trình hòa tan đa số là thu nhiệt. . Nhiệt hòa tan tƣơng đối nhỏ ( 40kJ). . Nhiệt hòa tan phụ thuộc nhiều vào lƣợng và bản chất dung môi. H2SO4(ℓ) + H2O(ℓ) = H2SO4.H2O(dd) -28,05 kJ/mol H2SO4(ℓ) + 100H2O(ℓ) = H2SO4.100H2O(dd) -73,32 kJ/mol 4 4 H2SO4(ℓ) + 10 H2O(ℓ) = H2SO4.10 H2O(dd) -86,23 kJ/mol 0 H298 H2SO4(ℓ) + H2O(ℓ) = H2SO4. H2O(dd) -95,18 kJ/mol
  30. Nhiệt phân ly • Nhiệt phân ly: là hiệu ứng nhiệt của quá trình phân ly 1 mol chất thành các nguyên tử ở trạng thái khí • Nhiệt phân ly của các chất thường dương và có giá trị lớn
  31. 2. Định luật Hess và các hệ quả a. Định luật Hess: Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa là không phụ thuộc vào số lượng và đặc điểm của các chất giai đoạn trung gian. → có thể cộng hay trừ những phương trình nhiệt hóa như những phương trình đại số.
  32. H1 A B , H1 = HB -HA H1 = HB –Hc+Hc-HA H2 H3 C H1 = H3 + H2 Trong cùng một điều kiện , hiệu ứng nhiệt của một phản ứng bằng tổng hiệu ứng nhiệt của các phản ứng trung gian.
  33. 0 3H2 (k) + N2(k) = H2 (k) + N2H4(k) H 1 = 95,4 kJ 0 N2H4(k) + H2(k) = 2NH3(k) H 2= -187,6 kJ 0 3H2(k) + N2(k) = 2NH3 (k) H 3 = -92,2kJ
  34. Ví dụ 2Al(r)+ 3/2O2(k) = Al2O3 (1) H1 = -1676.0kJ/mol S(r) + 3/2 O2(k) = SO3(k) (2) H2 = -396,1kJ/mol H 2Al(r) + 3S(r) + 6O2(k)= Al2(SO4)3 (r),(3) 3 = -3442 kJ/mol H Al2O3 (r) + 3SO3(k) = Al2(SO4)3 (r), (4) 4 = ? H4 H3 ( H1 3 H2 ) (4) = (3) – [(1) + 3x(2)] →
  35. b. Hệ quả tt tt  Hệ quả 1 H pu  H sp  H cd  Hệ quả 2 dc dc H pu  H cd  H sp  Hệ quả 3 (định luật Laviosier La Plase) A → B ∆Ht B → A ∆Hn Ht = - Hn Htt + Hpl = 0 → Ht = - Hpl
  36. 3. Áp dụng định luật Hess a. Tính hiệu ứng nhiệt của các quá trình  Áp dụng định luật Hess  Áp dụng các hệ quả b. Tính năng lƣợng liên kết c. Tính năng lƣợng mạng tinh thể
  37. Ví dụ 1: Áp dụng định luật Hess 0 . C(gr) + O2(k) = CO2(k) (1), H298 = -393.5kJ/mol . CO(k) + ½O2(k) = CO2(k) (2), = -283.0kJ/mol H C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) (3), 3 = ?
  38. Ví dụ 1: Áp dụng định luật Hess 0 . C(gr) + O2(k) = CO2(k) (1), H298 = -393.5kJ/mol . CO(k) + ½O2(k) = CO2(k) (2), = -283.0kJ/mol C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) (3) = (1) – (2); ∆H3= ∆H1 - ∆H2
  39. tt tt Hpu  Hsp  Hcd 0 0 -∆H tt (AB) - ∆H tt(CD) ∆H0 + ∆H0 tt tt tt (AC) tt(BD) Hpu  Hsp  Hcd 0 0 ∑∆H tt (sp)-∑∆H tt (cđ) aA + bB = cC + dD ; H°pƣ H°pư= [c H°tt (C)+ d H°tt (D)] – [a H°tt (A)+ b H°tt (B)]
  40. Ví dụ 2: TÍNH ∆H THEO NHIỆT TẠO THÀNH Phản ứng: CO(k ) + ½ O2(k)= CO2(k) 0 H298tt(kJ/mol): -110,52 -393,5 0 H398tt -107,61 -389,80 0 H298pu 0 = -393,5 – (-110,52) = -283,01 kJ H398pu = -389,80 – (-107,61) = -282,19 kJ
  41. Ví dụ 3: TÍNH ∆H THEO NHIỆT TẠO THÀNH CH4 (k) + 2 O2 (k) CO2 (k) + 2 H2O (l) H° = ( H°tt CO2 + 2 H°tt H2O) - ( H°tt CH4 + 2 H°tt O2) = (-394 + 2 x -286) – (-75 + 0) = (-1066) – (-75) = -891 kJ
  42. TÍNH ∆H THEO NHIỆT ĐỐT CHÁY dc dc H pu  Hcd  Hsp H°pƣ =[a H°đc(A)+b H°đc(B) - [c H°đc (C)+d H°đc(D)] VD 4: 0 C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) H 298 = ? 0 C(gr) + O2 (k) = CO2(k) , ( H 298)đc = - 393.5kJ/mol 0 CO2(k) =CO(k) + ½O2 (k) , - ( H 298)đc = +283.0kJ/mol C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) 0 0 0 H 298 = ( H 298)đcC - ( H 298)đc CO=- 110,5kJ
  43. TÍNH ∆H THEO NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT Hpƣ = (Elk)cđ -(Elk)sp Hpƣ = (Elk)đứt -(Elk)tt H0 = ? H-H(k) + Cl-Cl(k) →298 2H-Cl(k) ElkH2 ElkCl2 -2ElkHCl 2H(k) + 2Cl(k) 0 H 298 = [Elk(H2 )+Elk(Cl2)] – [2Elk (HCl)] Các chất trong phản ứng ở trạng thái khí
  44. b. Tính năng lƣợng liên kết. 0 Ví dụ: 2H(k) + O(k) = H2O(k), H = -924.2kJ → 924.2 E 462.1kJ H O 2
  45. c. Tính năng lƣợng mạng tinh thể Um= ????? NaCl (r) Na+(k) + Cl-(k) 0 F -( H 298)tt NaCl 0 I1Na Cl ( H 298)th Na Na (k) + Cl (k) Na(r) + 1/2Cl2(k) 0 1/2( H 298)pl Cl2 0 0 0 Um= -( H 298)tt NaCl + ( H 298)th Na+1/2 ( H 298)plCl2 + I1 Na + FCl
  46. Chương VII. THẾ ĐẲNG ÁP VÀ CHIỀU CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Giảng viên: Nguyễn Minh Kha
  47. I. ENTROPI II. BIẾN THIÊN NĂNG LƢỢNG TỰ DO GIGGS, THƢỚC ĐO CHIỀU HƢỚNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC
  48. I. ENTROPI 1. Entropi – Thƣớc đo độ hỗn độn của một chất hay một hệ 2. Sự biến thiên entropi trong quá trình hóa học
  49. QUÁ TRÌNH THUẬN NGHỊCH VÀ BẤT THUẬN NGHỊCH . Tính chất của quá trình thuận nghịch:  Xảy ra với tốc độ vô cùng chậm.  Công hệ sinh ra là cực đại.
  50. Các quá trình đƣợc xem gần nhƣ là quá trình thuận nghịch  Quá trình chuyển pha ở đúng điều kiện nhiệt độ và áp suất chuyển pha.  Quá trình tăng hay giảm nhiệt độ vô cùng chậm.  Quá trình dãn nở đẳng nhiệt vô cùng chậm của khí lý tƣởng.  Các phản ứng hoá học diễn ra ở rất gần với điều kiện cân bằng.
  51. XÁC SUẤT NHIỆT ĐỘNG W Xác suất nhiệt động W là số cách sắp xếp các phần tử trong hệ. W>>1
  52. Xác suất nhiệt động W Xác suất nhiệt động W là thƣớc đo độ hỗn loạn của hệ.
  53. I. ENTROPI Nguyên lý I (định luật bảo toàn năng lƣợng): quá trình tự diễn ra khi H 0
  54. Nguyên lý II nhiệt động học: “Nhiệt chỉ có thể truyền từ vật thể có nhiệt độ cao hơn sang vật thể có nhiệt độ thấp hơn ”. Quá trình truyền nhiệt là quá trình bất thuận nghịch. • Quá trình truyền nhiệt (chuyển nhiệt năng thành các dạng năng lượng khác) không bao giờ đạt hiệu suất chuyển hóa 100% mà luôn có một phần nhiệt không thể chuyển hóa được, phần nhiệt này chỉ được dùng để truyền cho vật thể có nhiệt độ thấp hơn và làm cho vật thể này biến đổi entropy một lượng là ΔS, với: dQ S Q Dấu “ = ” ứng với quá trình thuận nghịch: T S T dQ Dấu “ > ” ứng với quá trình bất thuận nghịch: S T • Nếu hệ là cô lập: Q = 0 => ΔS ≥ 0 . Nghĩa là đối với hệ cô lập, quá trình thuận nghịch không làm biến đổi entropy (ΔS = 0), còn quá trình bất thuận nghịch tự xảy ra làm tăng entropy (ΔS > 0).
  55. Trong hệ cô lập, quá trình khuếch tán diễn ra theo chiều hƣớng làm tăng độ hỗn loạn của hệ Tự phát ∆H=0 Quá trình khuếch tán các khí tự diễn ra có H=0 Không tự phát
  56. Quá trình nóng chảy, bay hơi tự diễn ra theo chiều hƣớng đi từ trạng thái có độ hỗn loạn thấp đến trạng thái có độ hỗn loạn cao có H >0 H2O(l)=H2O(k) H2O(r)=H2O(l) H chƣa thể xem là đại lƣợng tiêu chuẩn để tiên đoán chiều và giới hạn quá trình.
  57. Entropy Entropy (S) là thƣớc đo độ hỗn loạn trạng thái của hệ. HỆ THỨC BOLTZMANN R S k lnW lnW N A Entropy là hàm trạng thái Entropy là thông số dung độ. Đơn vị: J(cal)/mol.K K- hằng số Boltzmann S= RlnW (tính cho một mol chất) = 1.38 x 10-23 J/K W- xác suất nhiệt động
  58. Ý nghĩa vật lý của Entropy  Thước đo mức độ hỗn loạn (vô trật tự) của vật chất  Thước đo xác suất trạng thái của hệ 0  Entropy tiêu chuẩn: S298 Lƣợng chất 1 mol, nhiệt độ T (298), áp suất 1atm, đối với chất khí : khí lý tƣởng, đối với dung dịch: nồng độ = 1M
  59. Tính chất của entropy  Đối với cùng một chất: S(hơi) > S(lỏng) > S (rắn)  Ở cùng trạng thái vật lý, phân tử, hệ càng phức tạp thì S càng lớn  Đối với cùng một chất: T tăng làm tăng S, P tăng làm giảm S  S của chất vô định hình > S của chất ở dạng tinh thể
  60. Đối với cùng một chất thì ở các trạng thái rắn, lỏng, khí entropi có giá trị khác nhau và tăng dần. S(khí) > S(lỏng) > S(rắn) o S 298 (J/K•mol) H2O(lỏng) 69.91 H2O(khí) 188.8
  61. Hệ càng phức tạp, phân tử càng phức tạp thì entropy càng lớn. 0 0 0 . Ví dụ : S 298(O) < S 298(O2) < S 298(O3) 0 0 S 298(NO) < S 298(NO2)
  62. ENTROPY TIÊU CHUẨN Ở 298K Chất S298 (J/mol.K) Chất S298 (J/mol.K) H2O(l) 69.9 NaCl(r) 72.3 H2O(k) 188.8 NaCl(aq) 115.5 I2(r) 116.7 Na2CO3(r) 136.0 I2(k) 260.6 CH4(k) 186.3 Na(r) 51.5 C2H6(k) 229.5 K(r) 64.7 C3H8(k) 269.9 Cs(r) 85.2 C4H10(k) 310.0
  63. Nhiệt độ tăng làm tăng entropy, ngƣợc lại áp suất tăng làm giảm entropy 0 0 . S 298H2O (lỏng) < S 350H2O (lỏng) . S400H2O (khí, 3 atm ) < S400H2O (khí, 1atm)
  64. Các quá trình này làm tăng entropy ( S > 0) Phản ứng hoá học C(gr) + CO2(k) = 2CO (k) ; n=1>0 → V >0 → Spƣ >0 N2(k) + 3H2(k) = 2NH3(k); n= -2<0 → V<0 → Spƣ <0
  65. Định luật Nernst (nguyên lý III) Ở không độ tuyệt đối (0K) mọi đơn chất cũng nhƣ mọi hợp chất ở dạng tinh thể hoàn hảo đều có entropy bằng không. W=1 →S0=0 Biến thiên Entropy ( S0) trong các quá trình biến đổi các chất ở dạng tinh thể hoàn hảo đều bằng không ở 0K. Ví dụ: ở 0K phản ứng C(gr)+O2(r) = CO2(r) S0=0
  66. 2. Sự biến thiên entropi trong các quá trình ñoähoãnloa ïnôûtraïng thaùicuoái S S S R ln C ñ ñoähoãnloa ïnôûtraïng thaùiñaàu • Các quá trình thuận nghịch: Tính trực tiếp từ NL II NĐH: Q S (chú ý dấu) T • Các quá trình bất thuận nghịch: ΔS = S2 –S1 Áp dụng: Cho phản ứng tổng quát: aA + bB + = cC + dD + ST(pu) ST(sp) ST(cd) *Chú ý: nhân hệ số tỷ lượng
  67. VD: Tính ΔS của quá trình nóng chảy và đông đặc 1 mol nƣớc ở 0oC, biết nhiệt nóng chảy của nƣớc đá là 0 Hnc 6007 j / mol H 0 6007(J / mol) S nc 22(J / molK) nc T 273(K) H 0 6007(J / mol) S dd 22(J / molK) dd T 273(K)
  68. Ví dụ 0 C(gr) + CO2(k) = 2CO(k) Tính: S298, S1500 0 5.74 213.68 197.54 (J/mol.K) S298 0 33.44 291.76 248.71 (J/mol.K) S1500 0 0 0 0 S298 2 S298(CO) [S298(C) S298(CO2 )] 2 197.54 [5.74 213.68] 175.66J / K S1500 2 S1500(CO) [ S1500(C) S1500(CO2 )] 2 248.71 [33.44 291.76] 172.22J / K
  69. Khi nhiệt độ tăng, ΔS của phản ứng tăng không đáng kể . Do đó, nếu khoảng nhiệt độ thay đổi không quá lớn, một cách gần đúng, có thể sử dụng trực tiếp entropi tiêu chuẩn của 0 0 các chất : ΔS T ≈ ΔS 298
  70. 2. Sự biến thiên entropi trong các quá trình Các quá trình dãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch của khí lý tưởng: W2 S S2 S1 Rln W1 V p S Rln 2 Rln 1 V1 p2 VD: Tính ΔS của quá trình dãn nở đẳng nhiệt thuận nghịch 5 mol khí Ar ở 250C từ áp suất 10 atm đến 1 atm. Giải: Xem nhƣ Ar là khí lý tƣởng. ta có : V p S nR ln 2 nR ln 1 5 8,314 ln10 95,72J / K V1 p2
  71. Sự phụ thuộc của S vào nhiệt độ Q U S V  QT đẳng tích V= const T T Q H S P T T  QT đẳng áp P = const Qp dH C p dT T2 dQ T2 dT T2 Ta có S C C d ln T T p T p T1 T1 T1 T2 CP const S CP ln T1 Với khoảng nhiệt độ nhỏ, xem như Cp ko phụ thuộc nhiệt độ T2  Tương tự với quá trình đẳng tích: S CV ln T1
  72. II. BIẾN THIÊN NĂNG LƢỢNG TỰ DO GIBBS, THƢỚC ĐO CHIỀU HƢỚNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 1. Các yếu tố entanpi, entropi và chiều hƣớng diễn ra của các quá trình hóa học 2. Biến thiên năng lƣợng tự do Gibbs và chiều diễn ra của một quá trình hóa học 3. Tác động của nhiệt độ lên chiều hƣớng diễn ra của các quá trình hóa học 4. Biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của chất và của quá trình hóa học
  73. 1. Các yếu tố H, S và chiều diễn ra của các qt hóa học Có 2 yếu tố tác động lên chiều diễn ra các quá trình: H, S . Trong điều kiện bình thƣờng quá trình tự diễn ra khi H 0. Chúng tác động đồng thời lên hệ, nhƣng ngƣợc nhau.
  74. . H 0 khi hệ +E để phá vỡ các lk H > 0 Chiều hướng của quá trình sẽ được quyết định bởi yếu tố nào chiếm ưu thế hơn. Đặt G(H,S) : G = H – TS G - Thế đẳng nhiệt đẳng áp, năng lượng tự do Gibbs . Biến thiên thế đẳng áp G = H - T S pt cơ bản của nhiệt động Đơn vị đo: kJ/mol
  75. 2. Biến thiên năng lƣợng tự do và chiều diễn ra của các quá trình hóa học  G 0: qt không tự xảy ra; pƣ xảy ra theo chiều nghịch  G = 0: quá trình đạt trạng thái cân bằng
  76. 3. Tác động của các yếu tố lên chiều hƣớng diễn ra của các quá trình hóa học Khi T, p = const phản ứng sẽ tự xảy ra khi: G H T S 0 H S G Khả năng phản ứng - + - Tự xảy ra ở mọi T + - + Không tự xảy ra ở mọi T - - +/- Tự xảy ra ở T thấp + + +/- Tự xảy ra ở T cao
  77. 4. Biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của chất và của quá trình hóa học a. Biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của chất b. Biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của các quá trình hóa học c. Thế đẳng áp tiêu chuẩn và chiều diễn ra của các quá trình hóa học
  78. a. Biến thiên năng lƣợng tự do chuẩn của chất  Lượng chất: 1 mol 0  Áp suất: 1 atm Ký hiệu G298  Các chất ở dạng định hình bền  Đơn vị đo: kJ/mol
  79. b. G0 của các quá trình hóa học 0 0 0 . Theo định luật Hess: GT  GT,tt(sp)  GT,tt(cd) . Theo phƣơng trình: G0 = H0 - T S0 . Theo hằng số cân bằng: G0 = -RTlnK . Theo sức điện động của nguyên tố Ganvanic: G0 = -nFE0
  80. Ví dụ 0 0 CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k) G298, G1500 ? 0 H298tt (kJ/ mol) -1205.93 -634.94 -392.92 0 92.63 39.71 213.31 S298 (J / mol.K) 0 G298 (kJ / mol) -1129 -604 -394.38 0 0 0 0 G298 [ G298(CaO) G298(CO2 )] G298(CaCO3) [-604 (-394.38)] - (-1129) 130.62kJ
  81. 0 0 0 0 H298 [ H298(CaO) H298(CO2 )] H298(CaCO3 ) [-634.94 (-392.92)]- (-1205.93) 178.07kJ 178070J 0 0 0 0 S298 [S298(CaO) S298(CO2 )] S298(CaCO3 ) [39.71 213.31]- 92.63 160.39J/K 0 0 0 G298 H298 298 S298 178070 298 160.39 130273.78J 0 0 G1500 H1500 1500 S1500 H 298 1500 S298 178070 - 1500 160.39 - 62515 J - 62.52kJ
  82. c. Thế đẳng áp tiêu chuẩn và chiều diễn ra của các quá trình hóa học pc pd G G0 RT ln C D pa pb A B  Trên thực tế: pc pd 40kJ RT ln C D 40kJ pa pb A B  . G0 + 40 kJ G > 0 phản ứng xảy ra hoàn toàn theo chiều nghịch . – 40 kJ < G0 < + 40 kJ G 0 phản ứng là thuận nghịch
  83. 1. Entropi – thƣớc đo độ hỗn độn của một chất hay một hệ Qúa trình tự diễn ra có H = 0 hay H > 0: mức độ hỗn loạn của hệ tăng A B A + B A + B  H = 0  N2O4 ⇌ 2NO2 H > 0 mức độ hỗn loạn 2 S = S2 – S1 ≈ Rln mức độ hỗn loạn 1 Trong hệ cô lập, quá trình tự diễn ra thì S > 0 Entropi là thước đo độ hỗn loạn của hệ