r TlilíviÊN UẬI .; ọ j n iu v s Ả N 541 tVỈCSTh ĐÀO ĐÌNH THỨC ệ ; Ị.T • l T.2 I l i ( D i ỈỈAHOC Ũ CƯƠNG 1 Tập II Từ LÝ THUYẾT ĐẾN ỨNG DỤNG ĐỊKỊ ® G HáHỌI N H À X U Ấ T BẢN Đ Ạ I HỌ C Q UỐ C G IA HÀ NỘ I GS. ĐÀO ĐỈNH THỨC HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG ■ ■ TẬP II TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN ỨNG DỤNG (Inlẩnthứ2) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC Trang LÒI NÓI DẦU 7 I. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT c o B Ẩ N 9 1. Tính chất của các chất k h ỉ 9 2. Một số khái niệm cơ sở của nhiệt động học 18 3. Công và n h iệ t 26 Bài t ậ p 36 li. NGUYÊN LÍ I NHIỆT ĐỘNG HỌC, NHIỆT HOA HỌC . . 38 1. Nguyên lí I nhiệt động h ọ c 38 2. Nhiệt hóa h ọ c 42 Bài t ậ p 65 III. NGUYÊN LÍ II NHIỆT DỘNG HỌC, CÂN BẰNG VÀ CHIỀU DIỄN BIẾN CỦA CÁC QUA TRÌNH HOA HỌC . 67 1. Nguvên lí II nhiệt động học 67 2. Nguyên lí III nhiệt động học và entropi tuyệt đối . . 73 3. Entanpi tự do và chiểu diễn biến của các phản ủng hđa h ọ c 76 Bài t ậ p 97 IV. CÀN BẰNG HÓA H Ọ C 99 1. Định luật cân bằng hóa học 99 2. Chuvển dịch cân bằng, nguyên lí Le Chatelier . . .114 Bài t ậ p 120 V. CÀN BẰNG P H A 122 1. Khái niệm pha và cân bằng p h a 122 2. Điểu kiện cân bằng p h a 127 3 3. Cân bằng pha của một chất nguyên chất, phương trình Clapeyron - C lau siu s 129 4. Giản đồ trạng thái của một c h ấ t 133 5. Quy tắc pha G i b b s 138 6. Cân bàng lỏng hơi hệ 2 cấu t ử 141 7. Cân bằng rắn lỏng hệ 2 cấu tử 154 Bài tập 158 VI. DUNG D ỊC H 160 1. Phân loại dung dịch, nồng đ ộ 160 2. Cân bàng dung dịch, độ hòa t a n 3. Áp suất hơi bão hòa của dung dịch chứa chất hòa tan không bay h ơ i 168 4. Nhiệt độ sôi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi 170 5. Nhiệt độ kết tinh của dung dịch chứa chất tan không bay h ơ i 175 6. Áp suất thẩm t h ấ u 178 7. Định luật Raoult. và hệ thức Van’t Hoff đối với dung dịch điện l i 180 Bài tập 184 VII. DUNG DỊCH ION 186 1. Hiện tượng điện li 186 2. Chất điện li mạnh, chất điện li y ế u 188 3. Khái niệm axit - b a z ơ 191 4. Tích số ion của nước - pH của dung dịch 196 5. Tích số tan hiệu ứng ion chung 209 6. Các phản ứng trong dung dịch 213 Bài tập 214 VIII. ĐẠI CƯONG VÈ ĐỘNG HÓA H Ọ C 216 1. Tốc độ phản ứ n g 216 2. Phản ứng sơ cấp - thuyết va chạm và thuyết phức chất hoạt đ ộ n g 219 4 3. Nồng độ và tốc độ phản ứ n g 225 4. Phương trình động học của phản ứng hóa học . . . 230 5. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ 234 6. Xúc t á c 237 Bài t ậ p 243 ¡X. PHẤN ỨNG OXỈ HÓA - KHỬ VÀ ĐAI CƯONG VỀ ĐIỆN HÓA H Ọ C 245 1. Phản ứng oxi ho'a - k h ử 245 2. Pin G a n v a n i 251 3. Điện p h â n 274 4. Hiện tượng ăn mòn 282 Bài t ậ p 284 PHỤ L Ụ C 286 TÀI LIỆU THAM K H Ả O 290 5 LÒI NÓI ĐẦU • Trong chương trình Hóa học cơ bản, Hóa Đại Cương là môn học truyền thống mà nội dung bao gồm những lí thuyết cơ sỏ của Hóa học, thực chát là lí thuyết cơ sở của Hóa lí, cân trang bị cho sinh viên ngay từ nám đàu, trước khi học các môn học khác. Hóa Đại cương dược coi là nền móng của chuyên ngành Hóa. • Vi trong thời gian nửa thế kỉ qua, Hóa học phát triền nhanh chóng cả vê mặt lí thuyết lẫn phương pháp nghiên cứu nên nội dung giáo trinh Hóa Đại Cương cũng dược hiện dại hóa một cách thích ứng. • Hóa Dại Cương gôm hai phần mà trong chương trình gọi là Aị và At áp dụng cho nhóm ngành II, hệ Đại học. Giáo trình Aị đã được xuất bản năm 1997^\ Tài liệu này là giáo trình A2. • VÌ nội dung của giáo trình bao gồm những lí thuyết cơ sở của Hóa lí nên tài liệu này cùng với giáo trình Aị có thề dược sử dụng làm giảo trình Hóa lí cho các trường Cao dẳng và các trường Kỉ thuật có liên quan đến Hóa học. • VỈ Hóa Đại Cương bao gồm những lí thuyết cơ sở của Hóa học nên từ vài ba chục năm nay môn học này được chọn là "môn Cơ sở" trong các ki thi tuyển nghiên cứu sinh di học nước ngoài, trong thời gian trước kia và trong các ki thi tuyển sinh hệ Cao học và hệ Nghiên cứu sinh hiện nay. • Vói tính chát là một giáo trình cơ sở nên giáo trình được biên soạn- một cách ngán gọn, các kiến thức dược hệ thống hóa một cách chặt chẽ, tiếp theo sau mỗi định luật, mỗi công thức đều có (1) Giáo trình Ai đã được tái bàn lần thứ ba nănt 1999 7 pfian ủng dụng cụ thể giúp dộc giả nắm chắc dược ý nghĩa của các định luật và biết cách vận dụng các định luật dó vào các bài toán thục tế. Cuỗi mối chương có các bài tập cùng các dảp số. • Hi vọng rằng tài liệu này có thể được sử dụng làm tài liệu tự học, tự đào tạo cho sinh viên và các cán bộ Hóa học mà trước kia chưa có diêu kiện học tập môn học này một cách có hệ thống. • Việc biên soạn tài liệu này chắc chẩn còn có nhiều thiếu sót, rất mong dược sự góp ý xây dựng của các dộc giả. Tác giả 8 I. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH LUẬT Cổ BẨN • Các chương đầu của tài liệu để cập đến các nguyên lí cơ sở của nhiệt động lực học và ứng dụng của các nguyên lí đó trong hóa học. Lĩnh vực lí thuyết này được gọi là nhiệt dộng lực hóa học. • Trên cơ sở của các nguyên lí nhiệt động lực học (gọi tát là nhiệt động học hay nhiệt động) nhiệt động hóa học nghiên cứu các hiệu ứng năng lượng, các trạng thái và các điêu kiện cân bằng của các hệ ho'a học cũng như khả năng và chiểu diễn biến của các quá trình hóa học. • Trong chương này ta làm quen với một sô' khải niệm cơ sở của nhiệt động hóa học, các tính chất của các chất khí, thường phải xét đến trong các chương tiếp theo. 1. TÍNH CHẤT CỦA CÁC CHẤT KHÍ 1. 1. THUYỂT ĐỘNG HỌC VẼ CÁC CHẤT KHÍ • Thuyết động học về các chất khí dựa trên những định luật cơ sở sau đây: - Các phân tử khí ở trạng thái phân tán, khoảng cách trung bình giữa các phân tử khí rất lớn so với kích thước của phân tử. - Các phân tử khí luôn luôn ở trạng thái chuyển động hỗn loạn, vị trí và vận tốc luôn luôn thay đổi. - Sự va chạm giữa các phân tử khỉ là các va chạm đàn hổi, tổng động năng của các phân tử khí không thay đổi sau khi va chạm. 9 - Tại một nhiệt độ xác định, phân tử của các chất khí khác 1.2. ĐỊNH LUẬT AVOGADRO VỂ CÁC CHẤT KHÍ • Trong cùn g nh ữ ng diều kiện về n hiệt độ và áp suất như nhau, nhứ n g th ể tỉch b ằn g nhau (V1 = V-,) của các chất khí khác nhau dểu chứa cùng sô' phân tử như nhau (Nj = N2). Điều đó cũng có nghĩa là: Trong cùng những điều kiện vễ nhiệt độ và áp suất như nhau, một mol phân tử của các chất khí khác nhau INI = N2 = = 6,022.1023) đều cđ cùng một thể tích như nhau (Vị = v 2 = ). Thực nghiệm cho kết quả: ở điểu kiện tiêu chuẩn t = 0°c, p = 1 atm, thể tích này bàng 22,414 1, VQ = 22,414 1/mol được gọi là th ể tích m ol phân tử của các chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn. 1.3. KHÍ Lí TƯỞNG, PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CỦA KHÍ LÍ TƯỞNG • Vì khoảng cách giữa các phân tử lớn, lực tương tác giữa các phân tử rất yếu nên ở một áp suất đủ nhỏ, lực tương tác này co' thể coi bằng không và khi đó ta có một khí lí tưởng. Khí lí tượng như vậy là một khí mà lực tương tác giữa các phân tử được coi bằng không. • Các khí lí tưởng tuân theo các định luật Boyle - Mariotte, Gay - Lussac, Charles hay phương trình tổng hợp của các định luật trên, được gọi là phương trình trạn g thái của khí lí tưởng. - Đối với lượng khí 1 mol: nhau đều có một động nâng trung bình ^ như nhau PV = RT Đổi với lượng khí n mol: PV = nRT (1 . 1 ) (1.2) 10 Trong đd: p là áp suất; V là thể tích; T là nhiệt độ tuyệt đối T(K) = t°c + 273,15 của khối khí cần xét; R là một hàng số được gọi là hàn g số khí; R = 8,314 J/K mol hay 0,082 latm/K mol. Tùy theo các đơn vị được sử dụng trong phương trình mà ta sẽ sử dụng một trong các giá trị trên của R. • Vì R là một hằng sô' nên trong cả hai trường hợp ta đểu có: PV = const hay PiVi P2V2 (1.3) Ti M 2 • Như đã nói ở trên, phương trìn h trạn g thái PV = nRT là phương trình tổng hợp bao gổm tất cả các định luật Boyle - Mariotte, Gay - Lussac, Charles ứng với PV những trường hợp đặc biệt khác nhau. Từ const hay PlV, P2V2 = T ta suy ra: - Định luật Boyle - Mariotte: Khi nhiệt độ không đổi (T = const) ta co': PV = const hay P jVj = P t.Vt. - Định luật Gay - Lussac: Khi thể tích không đổi (V = const) ta có: p Pi p2 - = const hay — = — 11 [...]... gia phản ứng thi AV quá nhỏ nên công cơ học trao đổi thường được coi bằng không Ví dụ, xét phản ứng H 20 (k) + C(r) -* H 2( k) + CO(k> Vo V ’ 0 +0 V T hể tích của cacbon rán không đáng kể nên đối với phản ứng trên, ở điểu kiện tiêu chuẩn ta có: AV = v 2 - Vị = (22 ,4 + 22 ,4) - 22 ,4 = 22 ,4 1 = 22 ,4 HT3 m3 Với p = 1 atm = 1,013.10*5 Pa ta có: Công (hệ thực hiện) w = -1 ,013.105 .22 ,4.10 3 = -2 2 ,7.1 02 J • ỏ... (a+ b T + cT 2) dT = n ( & + | t 2+ | t 3) ự 2 T ứ n g dụn g 1 Tính nhiệt lượng cần cung cấp cho 2 mol nước khi nhiệt độ tăng từ 20 °c đến 100°c trong điều kiện áp suất không đổi: Cp(H201) = 95,3 J/mol K • Qp = 2. 75,3 (373 - 29 3) - 6 024 J Ư ng d ụ n g 2 Đối với hơi nước Cp = 36,8 - 7,9.1 0-3 r + 9 ,2. 10^r2 [J/mol K] Tính nhiệt lượng cẩn thiết để đưa 5 mol hơi nước từ 100° lên 20 0°c trong điều kiện áp suất... số mol phân tử như nhau, v ì vậy số mol khí N 2 và số mol khí 0 , tỉ lệ với thể tích của chúng: n ( ° 2) n (N2) Từ đo' ta co': n (0 2 ) 20 ,9 79,1 hay n (N2) + n ( 0 2) x (0 2) = 20 ,9 20 ,9 + 79,1 20 ,9 100 ' 20 ,9 (x là phân số mol) và x(N ?) = - 7 L 100 15 Áp dụng định lu ật Dalton: P ( 0 ,) = 20 ,9 Pj = XịP ta có: l(a tm ) = 0 ,20 9 a tm ; 79,1 P (N t) = Ỷ“ -. l (atm t = 0,791 a tm 1.5 KHÍ THỰC, PHƯƠNG... hơi nước từ 100° lên 20 0°c trong điều kiện áp suất không đổi 473 • Qp = 5 J ( 3 6 , 8 - 7,9.10^T + 9 ,2. 10~6T2)dT 373 = 5(36,8 T - 3,9.10'3T2 + 3,1.10"*r3) | 473 Qp = 5[36,8(47 3-3 73 )-3 ,9.10~3(4 722 -3 7 ẩ )+ 3,1.10H Ỉ(4733 - 3733)] = 5 [36,8.100 - 3,9.1 0-3 .84600 + 3,1.10^.53 928 700] = 5 (3680 - 3 2 9 ,9 + 167,1) = 3517 ,2 34 X 5 = 17586J = 17,59kJ 3.3.5 Nhiệt iượng trao đổi và quá trình ti.en đổi trạng thái... (P = 1 atm , T = 27 3 K) các chất khí thường được coi là khí lí tưởng: PV = nRT hay P(AV) = AnRT An là biến thiên số mol của chất khí, trong trường bợp trên ta co' An = n 2 - nj = 2 - 1 = 1 Từ đó ta co' th ể tính công theo hệ thức: w = - P ngAV hay w = -A nR T = -1 .8,314 .27 3 = -2 2 /7.1 02 J 29 3.3 NHIỆT ĐỘ, NHIỆT 3.3.1 Nhiệt độ • N hiệt độ là thước đo động nàng tru n g bình của phân tử - 3 E d = — kT (k... Cp('T2 - T ị ) = nCpAT 1 20 ) ( "q = nCv(T , - Tj) = nC;vAT T 33 - Trong trường hợp cần chú ý đến sự biến thiên nhiệt dung moi theo nhiệt độ, chảng hạn c p =? a + bT + cT2 hay Cv = a + bT + cT2 thì từ các hệ thức (1.17) và (1.18) nhiệt trao đổi đảng áp Qp hay đẳng tích Qv đối với n moi được tính theo hệ thức: T2 b = n I (a+ b T + cT 2) dT = n / a T + — T2+ — T3\ Ị r .2 Ti 11 (1 .21 ) = n J (a+ b T + cT 2) dT... m ột chất người ta sử dụng một m ẫu chất co' khói lượng m = 0,0 52 g và thể tích khi thu được V = 0,01 1 Biết rằng thí nghiệm được thực hiện ở diễu kiện p = 1 atm , t = 20 °c và ở t = 20 °c thì áp suất hơi nước bão hòa P (H 20 ) = 0, 02 atm Hãy tính phân tử khối của chất đó • „ m m Pv = nRT = RT — » M mRT P.v 0 ,0 8 2 2 9 3 M = ° '0 52 Õ õ o - 0, 02) õ,01 = 127 -5 g,mo1 ứ n g d ụ n g 2 Một lượng khí 5 mol,... dung đảng áp của nitơ c p = 27 ,314 + 5 ,2 J 0 ^ T (J/Kmol) Hãy tính nhiệt cần cung cấp để đưa khối khí đó từ 27 °c lên 22 7°c ĐÁP SỐ: lb: P r P = 0, 125 atm , p ^2 — 0 ,25 0 atm , p 02 L 2 a: V = 61,1 1; 3: 2b: V = 74,3 1 M = 32 4b: h = 8,61 km 5a: không; 6: w= 5b: đúng -3 095,3 J 7: = 1958 J/mol 8: Qv =: 421 6 J/mol 37 ... Hãy tính công cơ học m à hệ đã thực hiện trong quá trình hóa hơi đó (coi th ể tích nước lỏng không đáng kể) 7 n -b u ta n có nhiệt dung mol Cp - 19,5 + 0 ,23 .1 0-: vr (J/K mol) Hãy tính nhiệt (đẳng áp) cần thiết để đưa 1 mol n -b u tan từ 27 °c lên 127 °c dưới áp suất 1 atm 8 Một mol khí nitơ đựng trong m ột bình th ể tích không đổi Biết rằng nhiệt dung đảng áp của nitơ c p = 27 ,314 + 5 ,2 J 0 ^ T (J/Kmol)... co': • Đối với n mol khí: (p n 2a + ~ ) (v - nb) = nRT (1.10) T rong phương trìn h trên , a và b là các hàng sô kinh nghiệm, co' giá trị khác nh au đối với các c h ấ t khác nhau Dưới đây là m ột số ví dụ: 16 Ht n2 2 CO t 0 ,24 6 1,35 1,35 3,6 0, 026 6 0,0385 0,0318 0,0 427 atm l 2- mol 2 mol • Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử co' tác dung Jam giảm áp suất của các chất khí tác dụng lên thành bình, vì vậy, . Ị.T • l T .2 I l i ( D i ỈỈAHOC Ũ CƯƠNG 1 Tập II Từ LÝ THUYẾT ĐẾN ỨNG DỤNG ĐỊKỊ ® G HáHỌI N H À X U Ấ T BẢN Đ Ạ I HỌ C Q UỐ C G IA HÀ NỘ I GS. ĐÀO ĐỈNH THỨC HOÁ HỌC ĐẠI CƯƠNG ■ ■ TẬP II TỪ LÝ THUYẾT ĐẾN. tan hiệu ứng ion chung 20 9 6. Các phản ứng trong dung dịch 21 3 Bài tập 21 4 VIII. ĐẠI CƯONG VÈ ĐỘNG HÓA H Ọ C 21 6 1. Tốc độ phản ứ n g 21 6 2. Phản ứng sơ cấp - thuyết va chạm và thuyết phức. PHẤN ỨNG OXỈ HÓA - KHỬ VÀ ĐAI CƯONG VỀ ĐIỆN HÓA H Ọ C 24 5 1. Phản ứng oxi ho'a - k h ử 24 5 2. Pin G a n v a n i 25 1 3. Điện p h â n 27 4 4. Hiện tượng ăn mòn 28 2 Bài t ậ p 28 4 PHỤ L Ụ C 28 6 TÀI