BỘ CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA CÔNG NGHỆ HÓA  TRẦN VĂN THẮM Zn Cu Zn 2+ Cu 2+ Caàu muoái _ + Voân keá Tuy hòa, 2008 MỤC LỤC Trang Chương 1 NĂNG LƯNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HC 5 1.1. Một số khái niệm cơ bản. 5 1.2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 6 1.3. p dụng nguyên lý 1 cho một số quá trình cơ bản 8 1.4. Nhiệt hoá học. 10 1.5. Nhiệt dung 15 Chươ n g 2 CHIỀU HƯỚNG VÀ GIỚI HẠN CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC 22 2.1 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học 22 2.2. Áp dụng nguyên lý hai cho việc xác đònh chiều hướng diễn ra trong hệ cô lập 24 2.3 Chiều, điều kiện tự diễn biến, điều kiên cân bằng trong hệ không cô lập 29 2.4 Thế hoá học 31 Bài tập 34 Chương 3 CÂN BẰNG HÓA HỌC 35 3.1. Phản ứng thuận nghòch và không thuận nghòch. 35 3.2. Đònh luật tác dụng khối lượng 36 3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học. 40 3.4. Nguyên lý chuyển dòch cân bằng. 44 Bài tập 45 Chương 4 CÂN BẰNG PHA 47 4.1. Quy tắc pha Gibb 47 4.2. Hệ một cấu tử. 53 4.4. Hệ hai cấu tử. 53 Bài tập 64 Chương 5 DUNG DỊCH 67 5.1. Các khái niệm cơ bản. 67 5.2. Các giá trò mol riêng phần. 70 5.3. Dung dòch chất tan không bay hơi không phân ly. 75 5.4. Hỗn hợp hai chất lỏng hoà tan hoàn toàn vào nhau. 80 5.5. Hỗn hợp hai chất lỏng không hoà tan vào nhau. 84 Bài tập 90 Chương 6 ĐIỆN HOÁ HỌC 94 6.1. Phản ứng oxy hóa khử và nguyên tắc biến hóa năng thành điện năng. Pin hóa học 94 PHỤ LỤC Để thuận tiện trong việc giải bài tập hoá lý, người ta phải dùng các đại lượng liên quan trong cùng một đơn vò thống nhất. Đó là hệ đơn vò SI. Hệ đơn vò này đã được thông qua tại Đại hội về cân đo quốc tế năm 1960. Dưới đây tôi tóm lược một số chỉ dẫn quan trọng có liên quan đến hệ đơn vò SI A- HỆ ĐƠN VỊ CƠ SỞ: Gồm 7 hệ đơn vò cơ sở STT Tên đại lượng Đơn vò Ký hiệu 1 Chiều dài met m 2 Thời gian giây s 3 Khối lượng kilogam kg 4 Lượng chất mol mol 5 Nhiệt độ kelvin K 6 Cường độ dòng điện ampe A 7 Cường độ ánh sáng canđela Cd B- MỘT SỐ ĐƠN VỊ SI DẪN XUẤT HAY DÙNG STT Tên đại lượng Đơn vò Ký hiệu Theo đònh nghóa 1 Lực nuiton N kgms -2 2 p suất pátxcat Pa kg.m -1 .s -2 (N/m 2 ) 3 Năng lượng jun J kg.m 2 .s 2 4 Công suất oát W kg.m 2 .s -1 (J/s) 5 Điện tích culông C A.s 6 Điện thế von V J/As (J/C) 7 Tần số héc Hz s -1 C- MỘT SỐ ĐƠN VỊ KHÁC HAY SỬ DỤNG CẦN CHUYỂN VỀ HỆ SI STT Tên đại lượng Đơn vò Ký hiệu Hệ số chuyển đổi về SI micromet µm 10 -6 m 1 Chiều dài nanomet n.m 10 -9 m angstrom A 0 10 -10 m 2 Thể tích l 10 -3 m 3 3 Nhiệt độ celsius (bách phân) 0 C T 0 K = 0 C + 273,15 4 Thời gian phút min 60s giờ h 3600s atmsphe atm 1,013.10 5 Pa bar bar 10 5 Pa ≈ 1atm torr torr 133,322 Pa milimet thuỷ ngân mm Hg 133,322 Pa ec erg 10 -7 J calo cal 4,184 J oat.giờ W.h 3600 J electron-von eV 1,602.10 -19 J 7 Điện tích Đơn vò tónh điện ues CGS C. , 19 10 99792 1 − 8 Momen lưỡng cực debey (đơbai) D C. , 29 10 99792 1 − 9 Lực dyn dyn 10 -5 N D- CÁC HẰNG SỐ VẬT LÝ HAY DÙNG STT Hằng số Ký hiệu Giá trò theo SI 1 Đơn vò khối lượng nguyên tử u 1,660.10 -27 kg 2 Hằng số khí R 8,3145 J.mol -1 K -1 STT Hằng số Ký hiệu Giá trò theo SI 8,3145 m 3 Pa.mol -1 0,082 latm.mol -1 K -1 1,987 cal.mol -1 .K -1 3 Hằng số Avogadro N A 6,02214.10 23 mol -1 4 Hằng số Faraday F = N A .e 96485,3 C.mol -1 5 Điện tích electron e 1,602.10 -19 C 6 Hằng số Boltzmann k=R/N A 1,38066.10 -23 J.K -1 7 Hằng số Planck h 6,62608.10 -34 Js 8 Khối lượng electron m e 9,10939.10 -31 kg 9 Khối lượng proton m p 1,672623.10 -27 kg 10 Khối lượng nơtron m n 1,672623.10 -27 kg 11 Tốc độ ánh sáng C 2,99792458.10 8 ms -1 E- TƯƠNG QUAN GIỮA MỘT SỐ ĐƠN VỊ NĂNG LƯNG J cal eV cm -1 J 1 0,239 6,25.10 18 5,034.10 22 cal 4,184 1 2,62.10 19 2,105.10 23 eV 1,6.10 -19 3,82.10 -2 1 8,067.10 3 cm -1 11,96 2,859 1,24.10 -3 1 Chương 1 NĂNG LƯNG CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 1.1- Một số khái niệm cơ bản: 1.1.1- Hệ: Hệ là phần vật chất vó mô được giới hạn lại để nghiên cứu. Phần thế giới xung quanh được gọi là môi trường. 1.1.2- Hệ mở: Hệ mở là hệ có thể trao đổi chất và năng lượng với môi trường. 1.1.3- Hệ cô lập: Hệ cô lập là hệ không có khả năng trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường. 1.1.4- Hệ đoạn nhiệt: Hệ đoạn nhiệt là hệ không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Hệ cô lập bao giờ cũng là hệ đoạn nhiệt. 1.1.5- Hệ nhiệt động: Hệ nhiệt động là hệ mà các tính chất vó mô của nó không thay đổi theo thời gian khi môi trường không tác động gì đến hệ. 1.1.6- Trạng thái: Trạng thái là tập hợp các tính chất vó mô của hệ. Sự thay đổi dù chỉ một tính chất vó mô cũng đưa hẹ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. 1.1.7- Thông số trạng thái: Thông số trạng thái là những đại lượng vật lý vó mô đặc trưng mỗi trạng thái của hệ (T, P, V, m, C….) Thông số trạng thái chia làm 2 loại: Thông số cường độ: là những thông số không phụ thuộc vào lượng chất như: Nhiệt độ, áp suất, mật độ,… Thông số dung độ: là những thông số phụ thuộc vào lượng chất như: Thể tích, khối lượng, nội năng, … Với hệ khí lý tưởng thì thông số dung độ có tính cộng tính nghóa là dung độ của hệ bằng tổng dung độ của các hợp phần: V hệ = ΣV i ; U hệ = ΣU i . 1.1.8- Hàm trạng thái: Hàm trạng thái là những đòa lượng đặc trưng cho mỗi trạng thía của hệ và thường biểu diễn dưới một hàm số của thông số trạng thái. U = f (T, P, n i ….) S = f(T, P, n i … ) 1.1.9- Qúa trình: Qua trình là con đường chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Sự thay đổi dù chỉ một thông số trạng thái thì cũng làm thay đổi trạng thái của hệ và thực hiện một quá trình. Nếu sau một số biến đổi hệ trỏ về trạng thái ban đầu thì gọi là quá trình kín (hay chu trình) 1.1.10- Công và nhiệt: Công và nhiệt là hai hình thức truyền năng lượng vủa hệ. Trong nhiệt động học người ta qui đònh về dấu như sau: Công (A) Nhiệt (Q) Hệ sinh > 0 < 0 Hệ nhận < 0 > 0 1.2- Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học: 1.2.1- Nội năng: Đònh nghóa: Nội năng là năng lượng dụ trữ tiềm tàng của 1 hệ hay 1 vật trừ đi thế năng và động năng. Thành phần của nội năng gồm: Năng lượng chuyển động tònh tiến và quay của các phân tử, năng lượng dao động của các nguyên tử và nhóm nguyên tử bên trong phân tử. Năng lượng của các mối liên kết để hình thành nên nguyên tử, phân tử. Năng lượng của các hạt nhân nguyên tử. Năng lượng của các electron chuyển động xung quanh hạt nhân nguyên tử. Năng lượng của các lực hút lực đẩy của các nguyên tử trong phân tử… Tính chất: Nội năng của 1 hệ hoặc 1 vật nó là thuộc tính dung lượng có nghóa là giá trò của nội năng phụ thuộc vào khối lượng của vật hoặc của hệ. Nội năng của hệ hoặc của vật bằng tổng nội năng của các thành phần nhỏ của hệ hoặc của vật. Nội năng là hàm trạng thái có nghóa là giá trò của nó phụ thuộc vào trạng thái của hệ hoặc của vật. Biến thiên của nó phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, chứ không phụ thuộc vào diễn biến (đường đi) quá trình. Ví dụ: (c) (b) (a) A B Nếu: U a ≠ U b → Phải có năng lượng sinh ra hoặc mất đi. Nên nó trái với đònh luật bảo toàn năng lượng. Do đó: ∆U = U B - U A Nên: ∆U a = ∆U b = ∆U c 1.1.2- Biểu thức toán học của nguyên lý 1: Nguyên lý thứ nhất nhiệt động học là kết quả của sự tổng kết kinh nghiệm thực tiễn lâu dài. Nó không chứng minh bằng lý luận. Mọi hệ qủa rút ra từ nguyên lý đó đều đúng và đều được thực tế xác đònh. Nội dung cơ bản của nguyên lý thứ nhất là sự bảo toàn và biến hóa năng lượng áp dụng cho các quá trình có trao đổi công và nhiệt. Có thể phát biểu như sau: “Trong một quá trình bất kỳ, biến thiên nội năng của hệ bằng tổng lượng nhiệt Q mà hệ nhận được trừ đi công A mà hệ sinh” ∆U = Q – A (1-1) Nếu lượng nhiệt là vô cùng bé δQ thì nội năng chỉ biến thiên một vô cùng bé dU và sinh ra một lượng công vô cùng bé δA. δQ = dU + δA (1-1 / ) Công A và nhiệt Q không phải là hai dạng năng lượng mà chỉ là hai dạng chuyển năng lượng. Công và nhiệt chỉ xuất hiệ trong các quá trình, nghóa là giá trò của chúng phụ thuộc vào đường đi. Chính vì vậy mà công thức (1-1) và (1-1 / ) δQ và δA là lượng nhiệt và lượng công vô cùng bé do một biến thiên nội năng…. Trong nhiệt động học người ta thường hay khảo sát các quá trình biến đổi trạng thái của hệ, nhất là hệ khí. Công dãn nở của một khí có thể xác đònh như sau: Chẳng hạn, khí trong xilanh cân bằng với một đối trọng trên pittong tương ứng với áp suất P. Nếu diện tích bề mặt của pittong là S thì lực tác động là toàn bộ bề mặt pittong là P.S (xem hình 1-2) dh P Hình 1-2: Sơ đồ sinh công dãn nở của khí Giả sử, cung cấp cho hệ một lượng nhiệt vô cùng nhỏ sao cho khí dãn nở làm pittong dòch chuyển một đoạn vô cùng nhỏ dh mà vẫn không là thay đổi áp suất của hệ. Vậy công sinh ra do khí dãn nở sẽ là:δA = P.S.dh Nếu đặt S.dh = dV: một biến thiên thể tích vô cùng bé, thì: δA = P.dV Trong một quá trình dãn nở, nếu thể tích của hệ biến đổi từ V 1 đến V 2 thì chúng ta sẽ nhận được một lượng công là ( A = ∫ δ 2 1 A ): ∫ = 2 1 V V dV.PA Ngoài ra, khi tính toán ta cần biểu diễn các đại lượng công, nhiệt, nội năng cùng đơn vò đo. 1 calo = 4,184.10 7 erg = 4,184 J 1 lit.atm = 24,22 cal = 101,325 Nm = 101,325 J 1.3- p dụng nguyên lý 1 cho một số quá trình cơ bản: 1.3.1- Đối với quá trình đẳng tích: (V = const, dV = 0) Ta có: dV = 0 ⇒ ∆V = 0 ⇒ V 2 = V 1 Mà: A = P.dV ⇒ A = 0 Theo biểu thức toán học nguyên lý 1 thì: ∆U = Q – A ⇒ ∆U = Q (V) (1-3) Vậy: Nhiệt hệ nhận được trong quá trình đẳng tích bằng biến thiên nội năng của hệ. 1.3.2- Đối với quá trình đẳng áp: (P = const, dP = 0) Ta có ∆U = Q – A ⇒ Q = ∆U + A Mà A = P. V = P. (V 2 – V 1 ) Do đó: Q P = ∆U + P. (V 2 - V 1 ) Đặt: H = U + P.V → Gọi là enthalpy. Suy ra Q P = H 2 - H 1 = ∆H (1-4) Vì U, P, V là các hàm số và thông số trạng thái nên đại lượng U + P.V cũng là hàm trạng thái và được gọi là Enthalpy, ký hiệu là H. Mặt khác H có thứ nguyên năng lượng, nên H là một dạng năng lượng của hệ. Vậy: Nhiệt hệ nhận được trong quá trình đẳng ápbằng biến thiên của hàm trạng thái Enthalpy. 1.3.3- Đối với quá trình đẳng áp của khí lý tưởng. Ta có P.V = n.R.T Mặt khác A P = P. ∆V = ∆(P.V) = ∆(n.R.T) = n.R. ∆T Do đó: Q P = ∆U P + n.R. ∆T (1-5) 1.3.4- Đối với quá trình dãn nở đẳng nhiệt của khí lý tưởng. Ta xét quá trình dãn nở của khí lý tưởng trong điều kiện đẳng nhiệt: dT = 0 hay T = const Trong các giáo trình vật lý đại cương, chúng ta đã biết rằng, nội năng của khí lý tưởng (1 mol) bằng: 2 TRi U = Trong đó: i: Bậc tự do của phân tử khí R: Hằng số khí lý tưởng T: Nhiệt độ K Nghóa là, nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Vì vậy, khi T= const hay ∆T = 0 thì ∆U = 0. Đây cũng chính là nội dung của đònh luật Joule: Nội năng của khí lý tưởng chỉ phò thuộc vào nhiệt độ nên ∆U T = 0. Do vậy: từ nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học ta có Q T = A T Nghóa là, trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt cung cấp cho hệ chỉ sinh công, không dùng cho sự biến thiên nội năng. Đối với 1 mol khí lý tưởng: ∫ = 2 1 V V T dV.PA Mà 1 mol khí lý tưởng thì P.V = R.T nên: V T.R P = [...]... 1,98725 1.4- Nhiệt hóa học: Nhiệt hóa học là ngành hóa học nghiên cứu về hiệu ứng nhiệt của các quá trình như: quá trình hòa tan, quá trình sonvat hóa … Cơ sở nghiên cứu nhiệt động học là sự vận dụng nguyên lý 1 của nhiệt động học vào hóa học thể hiện qua đònh luật Gecxơ và Kirchhoff 1.4.1- Đònh nghóa: Hiệu ứng nhiệt là lượng nhiệt tỏa ra trong phản ứng phát nhiệt hay lượng nhiệt thu vào trong phản ứng... theo chi u thu nhiệt Nguyên lý 2 nhiệt động học giúp ta trả lời được câu hỏi đó: phản ứng xảy ra theo chi u (a) và rất hoàn toàn, nghóa là giáu ta xác đònh chi u hướng và điều kiện cân bằng của quá trình 2.1- Nguyên lý thứ 2 của nhiệt động học 2.1.1- Quá trình thuận nghòch và bất thuận nghòch Khi hệ đi từ một trạng thái này sang trạng thái khác, ta bảo hệ đã thực hiện một quá trình Về phương diện nhiệt... diện nhiệt động người ta phân biệt: quá trình thuận nghòch và quá trình bất thuận nghòch Theo đònh nghóa : một quá trình biến đổi từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 được gọi là thuận nghòch khi nó có thể tiến hành theo chi u ngược lại và trong qua trình ngược đó, hệ qua các trạng thái trung gian y như trong quá trình thuận Chẳng hạn: nếu biểu dễn quá trình dãn và nén khí đẳng nhiệt thuận nghòch trong... ∑(mj.µj)cuối : Phản ứng theo chi u thuận Nếu ∑(ni.µi)đầu < ∑(mj.µj)cuối : Phản ứng theo chi u nghòch Nếu ∑(ni.µi)đầu = ∑(mj.µj)cuối : Phản ứng đạt cân bằng Biểu thức này càng làm rõ thêm ý nghóa của hóa thế, nghóa là: chất sẽ chuyển từ trạng thái có tổng thế hóa cao đến trạng thái có tổng thế hoá thấp hơn BÀI TẬP CHƯƠNG 2 2.1: Tính Q, A, ∆U, ∆S, ∆H, ∆F và ∆G trong quá trình bay hơi 1 mol nước tại... nhiệt hóa học Về phương diện lòch sử thì đònh luật Hess tìm ra trước nguên lý thứ nhất của nhiệt động học nhưng về mặt nội năng thì đònh luật Hess là kết qủa của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học Đònh luật Hess: Hiệu ứng nhiệt củaphản ứng hóa học (hay là một quá trình hóa lý) chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ, không phụ thuộc vào đường đi Thực nghiệm chứng tỏ vậy Tuy nhiên có. .. năng lượng phân ly phân tử H2 bằng 436 kJ mol Chương 2: CHI U HƯỚNG VÀ GIỚI HẠN CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC Chúng ta đã biết nguên lý thứ nhất của nhiệt động học chỉ khảo sát vấn đề bảo toàn và biến hóa năng lượng Nguyên lý không đề cập đến vấn đề chi u hướng, khả năng và mức độ (giới hạn) của quá trình Ví dụ: Nếu hệ ban đầu gồm 1 mol H 2 , 1 mol Cl2 và 2 mol H2 thì ở điều kiện tiêu chuẩn phản ứng sẽ tự... thì đồ thò của quá trình thuận và quá trình nghòch trùng nhau (hình P 2.1) 1 2 H2.1- sơ đồ dãn nở khí thuận nghòch nhiệt động học V 0 Vì thế, công hệ sinh ra trong quá trình thuận bằng công hệ nhận được trong quá trình ngược, nhiệt hệ sinh ra trong quá trình thuận bằng nhiệt hệ nhận được trong quá trình ngược Đối với quá trình thuận nghòch sau khi tiến hành theo chi u thuận và theo chi u nghòch để đưa... quanh và bản thân hệ không xảy ra một biến đổi nào Trong thực tế, thường xảy ra quá trình bất thuận nghòch Quá trình bất thuận nghòch là quá trình mà khi tiến hành theo chi u ngược lại, hệ không qua các trạng thái không gian như quá trình thuận, sau khi tiến hành theo chi u thuận và theo chi u ngược để đưa hệ về trạng thái ban đầu rhì môi trường xung quang và bản thân hệ bò biến đổi Từ đó chúng ta có. .. sang vật lạnh và sẽ đạt đến trạng thái giới hạn khi hai vật có nhiệt độ như nhau, nước tự chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp vvà dừng lại chỗ thấp nhất, khí khuyếch tán từ miền áp suất cao đến miền có áp suất thấp… Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học là nguyên lý phát biểu về chi u hướng và mức độ (điều kiện cân bằng) của các quá trình đó a) Phát biểu nguyên lý thứ hai: Cũng giống như nguyên lý thứ nhất... đònh chi u hướng diễn ra trong hệ cô lập Như đã nói ở trên, nguyên lý hai là nguyên lý phát biểu về chi u và điều kiện cân bằng của các qúa trình Vì vậy biểu thức toán học của nó là tiêu chuẩn đònh lượng để xác đònh chi u và điều kiện cân bằng 2.2.1- Xác đònh chi u hướng diễn ra trong hệ cô lập: Trước hết ta xét hệ cô lập δQ = 0 2 δQ = 0 , nghóa là trong hệ cô lập biến thiên 1 T Đối với các quá trình . hoàn toàn vào nhau. 80 5.5. Hỗn hợp hai chất lỏng không hoà tan vào nhau. 84 Bài tập 90 Chương 6 ĐIỆN HOÁ HỌC 94 6.1. Phản ứng oxy hóa khử và nguyên tắc biến hóa năng thành điện năng. Pin hóa học 94 PHỤ. dung cơ bản của nguyên lý thứ nhất là sự bảo toàn và biến hóa năng lượng áp dụng cho các quá trình có trao đổi công và nhiệt. Có thể phát biểu như sau: “Trong một quá trình bất kỳ, biến thiên. hóa học: Nhiệt hóa học là ngành hóa học nghiên cứu về hiệu ứng nhiệt của các quá trình như: quá trình hòa tan, quá trình sonvat hóa …. Cơ sở nghiên cứu nhiệt động học là sự vận dụng nguyên lý