Chương 1 áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học vào hóa học

11 970 0
Chương 1  áp dụng nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học vào hóa học

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c PH N I: NHI T NG HOÁ H C Mu n xét m t ph n ng hoá h c có th c hi n đ - c hay không c n bi t: u ki n ph n ng x y x y đ n m c đ nào? - Ph n ng x y nh th nào? Nhanh hay ch m? Nh ng y u t nh h ng đ n t c đ ph n ng? Khi tr l i đ tìm đ cđ c hai câu h i này, ng c ph n ng, c u ki n t i u đ th c hi n ph n ng, nh m đ t hi u qu cao nh t Câu h i th nh t đ i t t i ta có th u n đ ng c a nhi t đ ng hố h c, cịn câu h i th hai đ i ng c a c a đ ng hoá h c Nhi t đ ng h c b ph n c a v t lý h c, nghiên c u hi n t ng c nhi t, cịn nhi t đ ng hố h c b ph n c a nhi t đ ng h c nghiên c u nh ng quan h n ng l ng q trình hố h c Bài gi ng môn C s lý thuy t Hóa h c CH NG I: ÁP D NG NGUYÊN LÝ TH C A NHI T I M T S KHÁI NI M M Khí lý t ng: - Ch t khí đ NG H C VÀO HỐ H C U c coi lý t có th b qua s t NH T ng mà kho ng cách gi a phân t khí xa nhau, ng tác gi a chúng coi th tích riêng c a phân t khí khơng đáng k (khí có áp su t th p) - Ph ng trình tr ng thái c a khí lý t chi m th tích V thì: PV = nRT = đó: m- kh i l M: Kh i l ng: n u có n mol khí áp su t P, nhi t đ T m RT M (1.1) ng c a khí, g ng mol c a khí, g T Nhi t đ t đ i, K ( T = t0C +273) R: H ng s khí lý t ng, tùy theo đ n v c a P V mà có gía tr khác nhau: - N u P (atm), V(dm3=l) ỵ R = 0,082 atm.l.K-1.mol1 - N u P (Pa=N/m2), V(m3) ỵ R = 8,314 J.K-1.mol-1 1atm = 1,013 105 Pa= 1,013 105N/m2= 760 mmHg - N u bình có m t h n h p khí m i khí gây nên m t áp su t g i áp su t riêng ph n c a khí đ c kí hi u Pi T ng t t c áp su t riêng ph n b ng áp su t chung P c a h n h p.N u g i V th tích chung c a h n h p khí ( b ng dung tích bình đ ng ph ng trình khí khí lý t P = ΣPi = ng có d ng: Σni RT V Σn i (1.2) : T ng s mol khí h n h p áp su t riêng ph n Pi c a khí i h n h p có th tính: Pi = ni n RT ho c Pi= NiP v i Ni = i Σni V H môi tr - H : H đ i t ng ng c n nghiên c u tính ch t nhi t đ ng h c i kèm v i khái ni m h khái ni m môi tr H đ (1.3) ng xung quanh, tồn b ph n cịn l i c a v tr bao quanh h c phân cách v i môi tr ng xung quanh b ng m t m t th c hay t ng t - Có lo i h : + H cô l p: h không trao đ i ch t n ng l + H m : h trao đ i ch t n ng l ng v i môi tr ng v i môi tr ng ng ng Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c + H kín h ch trao đ i n ng l ng v i môi tr + H không trao đ i nhi t v i môi tr ng đ 3.Quy c v d u trình trao đ i n ng l N ng l ng trao đ i gi a h môi tr - H nh n n ng l - H nh ng c g i h đo n nhi t ng ng có th cơng , nhi t, n ng l ng n.… ng: d u (+) ng n ng l ng d u (–) 4.Tr ng thái c a h thông s tr ng thái: - Tr ng thái v mô c a m t h đ c đ c tr ng b ng nh ng đ i l V, C Các thơng s có th đo đ ng xác đ nh nh : t0C, P, c, g i thông s tr ng thái ví d : gi a s mol khí n, nhi t đ T áp su t P c a m t h khí (gi s khí lý t có m i quan h ch t ch , đ c bi u di n b ng ph ng trình tr ng thái c a khí lý t ng) ng PV=nRT - Có hai lo i thơng s tr ng thái: dung đ c ng đ + Thông s tr ng thái dung đ nh ng thông s tr ng thái t l v i l th tích, kh i l ng ch t, thí d ng ng đ không t l v i l + Thông s tr ng thái c ng ch t, ví d nhi t đ áp su t, n ng đ , đ nh t Tr ng thái cân b ng c a h Là tr ng thái t i thông s tr ng thái c a h không đ i theo th i gian VD ph n ng thu n ngh ch CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O đ t tr ng thái cân b ng n ng đ c a ch t không bi n đ i Bi n đ i thu n ngh ch bi n đ i b t thu n ngh ch - N u h chuy n t m t tr ng thái cân b ng sang m t tr ng thái cân b ng khác vô ch m qua liên ti p tr ng thái cân b ng s ngh ch ây s bi n đ i lý t bi n đ i đ c g i thu n ng khơng có th c t - Khác v i s bi n đ i thu n ngh ch s bi n đ i b t thu n ngh ch ó nh ng bi n đ i đ c ti n hành v i v n t c đáng k Nh ng bi n đ i x y th c t đ u b t thu n ngh ch 7.Hàm tr ng thái - M t hàm F( P,V,T ) đ c g i hàm tr ng thái n u giá tr c a ch ph thu c vào thơng s tr ng thái c a h mà không ph thu c vào cách bi n đ i c a h - Ví d : n mol khí lý t ng: + tr ng thái đ c đ c tr ng b ng P1V1=nRT1 + tr ng thái đ c đ c tr ng b ng P2V2=nRT2 PV m t hàm tr ng thái, khơng ph thu c vào cách bi n đ i t tr ng thái sang tr ng thái Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c 8.Cơng nhi t: Là hai hình th c trao đ i n ng l ng Công W (J, kJ) Nhi t Q (J, kJ) Công nhi t nói chung khơng ph i nh ng hàm tr ng thái giá tr c a chúng ph thu c vào cách bi n đ i * Công giãn n ( công chuy n d ch) δW = - Pngoài.dV =-PndV (1.4) å W ph thu c vào Pn ( h sinh cơng nên có d u -) N u trình h u h n => W = − ∫ Pn dV (1.5) N u giãn n chân khơng å Pn =0 ỵ W=0 N u giãn n b t thu n ngh ch: giãn n ch ng l i Pn không đ i: Pn= const (Pn=Pkq) ỵ Wbtn = -Pn(V2-V1) N u giãn n thu n ngh ch: t c Pn =Ph V2 Wtn= − ∫ Pn dV (1.7) V1 N u khí lý t Pn = Ph = (1.6) ng giãn n đ ng nhi t có : V2 V nRT dV => WTN = − ∫ nRT = −nRT ln V V V1 V V y WTN =- nRT ln V2 P =- nRT ln V1 P2 (1.8) II NGUYÊN LÝ I ÁP D NG VÀO HÓA H C Khái ni m n i n ng (U) N ng l ng c a h g m ph n - ng n ng chuy n đ ng c a toàn h - Th n ng c a h h n m tr - N i n ng c a h ng ngồi Trong nhi t đ ng hố h c nghiên c u ch y u n i n ng N i n ng c a h g m: - ng n ng chuy n đ ng c a phân t , nguyên t , h t nhân electron (tinh ti n, quay ) - Th n ng t ng tác (hút đ y) c a phân t , nguyên t , h t nhân electron Nh th n i n ng (U) c a h m t đ i l ng dung đ , giá tr c a ch ph thu c vào tr ng thái v t lý mà không ph thu c vào cách chuy n ch t t i tr ng thái Nó m t hàm tr ng thái Bài gi ng môn C s lý thuy t Hóa h c N i n ng c a h ph thu c vào b n ch t, l ng c a nó, áp su t nhi t đ ,th tích thành ph n i v i khí lý t ng n i n ng c a h ch ph thu c vào nhi t đ Phát bi u nguyên lý I c a nhi t đ ng h c Nguyên lý I c a nhi t đ ng h c v th c ch t đ nh lu t b o toàn n ng l N ng l ng: ng c a m t h l p ln ln b o tồn a.T n t i m t hàm tr ng thái U g i n i n ng dU m t vi phân toàn ph n b S bi n đ i n i n ng ΔU c a h kín chuy n t tr ng thái sang tr ng thái b ng t ng đ i s c a t t c n ng l ng trao đ i v i mơi tr ng q trình bi n đ i (dù bi n đ i thu n ngh ch hay b t thu n ngh ch) ΔU = U2-U1 = WA + QA =WB + QB = =const W Q công nhi t l ng mà h trao đ i v i môi tr ng i v i m t bi n đ i vô nh dU= δW + δQ dU: vi phân toàn ph n δW δQ : khơng ph i vi phân tồn ph n i v i m t bi n đ i h u h n ΔU = ∫ dU = W + Q (1.9) N u: + Tr ng thái đ u cu i nh ΔU = ∫ dU = > W+Q=0 + H cô l p: W = Q = > ΔU =0 Nhi t đ ng tích, nhi t đ ng áp a.Nhi t đ ng tích.( V = const) Xét h kín, c T, V = const, h ch sinh công c h c: δW = − pdV V = const ỵ δW = − pdV = Theo nguyên lý I: dU= δW + δQ Do đó: dU= δQ ΔU = ∫ δQ = Q v (1.10) v = const Qv nhi t đ ng tích, giá tr c a ch ph thu c vào tr ng thái đ u cu i c a h b Nhi t đ ng áp(P= const) Xét h kín, th c hi n c T, P =const, h ch sinh công c h c: W= − ∫ pdV = − P(V − V1 ) ΔU = U2-U1 = W + Q U2 - U1 = Qp-P(V2-V1) hay Qp = (U2+PV2) –(U1+PV1) QP: G i nhi t đ ng áp Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c t H=U+PV Ta có: Qp= H2-H1 = ΔH Hđ (1.11) c g i entapi, hàm tr ng thái U PV đ u nh ng hàm tr ng thái III NHI T PH N NG HOÁ H C Nhi t ph n ng Là nhi t l ng thoát hay thu vào ph n ng x y theo h s t l ng, m t nhi t đ T ch t tham gia s n ph m có th so sánh nhi t c a ph n ng c n ch rõ u ki n ph n ng x y ra: - L ng ch t tham gia s n ph m t o thành theo h s t l - Tr ng thái v t lý c a ch t V i m c đích ng ng i ta đ a khái ni m tr ng thái chu n Tr ng thái chu n c a i áp su t 101,325kPa(1atm) nhi t đ m t ch t nguyên ch t tr ng thái lý h c d kh o sát b n nh t Ví d : Cacbon t n t i hai d ng thù hình graphit kim c ng 298K d su t 101,325kPa, graphit bi n đ i thù hình b n nh t tr ng thái chu n i áp 298K c a cacbon graphit - N u ph n ng đ c th c hi n P=const nhi t ph n ng đ c g i nhi t ph n ng đ ng áp Qp= ΔH - N u ph n ng đ cđ V=const nhi t ph n ng đ c th c hi n c g i nhi t ph n ng đ ng tích Qv= ΔU • Ph n ng t a nhi t ph n ng thu nhi t - Ph n ng t a nhi t: ph n ng nh ng nhi t l ng cho mơi tr ng Khi ΔH = QP 0 Ví d ph n ng nung vơi • Quan h gi a nhi t đ ng tích nhi t đ ng áp: ΔH = Δ(U + pV ) p = ΔU + pΔV Qp= Qv+ Δ nRT (1.12) Trong đó: Δ n = s mol s n ph m khí – s mol ch t khí tham gia ph n ng R = 8.314 J/mol.K: h ng s khí lý t T: K Ví d : C6H6 (l) + 15 O2(k) = 6CO2(k) + 3H2O(l) Δ n= 6-7,5=-1,5 C(r) + O2(k) = CO2(k) Δ n= 1- 1= ng Bài gi ng môn C s lý thuy t Hóa h c Nhi t sinh chu n c a m t ch t: Là nhi t c a ph n ng t o thành mol ch t t đ n ch t b n (ch t s n ph m ch t ph n ng ph i ch t nguyên ch t s li u nhi t đ ng chu n tài li u th ng đ u ki n chu n 1atm gi P, T=const, c xác đ nh nhi t đ T=298 K) Kí hi u ΔH T0,s (kJ.mol-1) N u T =298 => ΔH 298 ,s -1 ng c a ph n ng sau Ví d : ΔH 298 , s (CO2)=-393,51(kJmol ) Nó nhi t ph n 250C pO = pCO = 1atm 2 Cgr + O2(k) = CO2(k) C graphit đ n ch t b n nh t c a cacbon atm 298K - T đ nh ngh a ta suy nhi t sinh chu n c a đ n ch t b n b ng không Nhi t cháy chu n c a m t ch t: Là nhi t c a q trình đ t cháy hịan tồn mol ch t b ng O2 t o thành ơxit b n nh t ( v i hóa tr cao nh t c a nguyên t ), ch t ph n ng đ u nguyên P=1atm gi T, P không đ i (th ch t ng T=298K) ΔH T0,c (kJ.mol ) -1 -1 Ví d : ΔH 298 ng v i nhi t c a ph n ng sau ,c (CH ) =-890,34kJ.mol 250C p=const PCH = PO = PCO = 1atm 2 CH4 (k)+ 2O2 (k)å CO2 (k) + 2H2O(l) T t c ôxit b n v i hóa tr cao nh t c a ngun t đ u khơng có nhi t cháy IV NH LU T HESS VÀ CÁC H QU 1.Phát bi u: Hi u ng nhi t c a m t ph n ng ch ph thu c vào tr ng thái đ u tr ng thái cu i c a ch t tham gia ch t t o thành ch không ph thu c vào giai đo n trung gian, n u không th c hi n cơng khác ngồi cơng giãn n ΔH Ví d : Cgr ΔH + O2(k) ΔH CO(k) + 1/2 O2(k) Theo đ nh lu t Hess: 2.Các h qu CO2(k) ΔH = ΔH + ΔH (1.13) Bài gi ng môn C s lý thuy t Hóa h c H qu 1: Hi u ng nhi t c a ph n ng thu n b ng hi u ng nhi t c a ph n ng ngh ch nh ng ng c d u.: ΔH t = −ΔH n (1.14) H qu 2: Hi u ng nhi t c a m t ph n ng b ng t ng nhi t sinh c a ch t cu i tr t ng nhi t sinh c a ch t đ u ΔH = ∑ ΔH s (s¶ nph¶ m ) − ∑ ΔH s (thamgia ) (1.15) N u u ki n chu n T=298K ΔH 298, pu = ∑ ΔH 298,s (s ¶ nphÈm ) − ∑ ΔH 298,s (thamgia ) (1.16) T đ nh ngh a suy ra: nhi t sinh c a m t đ n ch t b n v ng u ki n chu n b ng không: ΔH T0, s (đ n ch t) = Ví d : Tính Δ H0 c a ph n ng: C2H4(k) + H2 (k) > C2H6 298K? -1 Cho bi t ΔH 298 , s c a ch t (kJ.mol ) nh sau: C2H4(k): +52,30 C2H6(k): -84,68 Gi i: Ta có: ΔH 298 0 = ΔH 298 , s (C2H6(k)) - [ ΔH 298, s (C2H4(k)) + ΔH 298, s (H2(k))] =-84,68-52,30-0 =-136,98kJ.mol-1 H qu 3: Hi u ng nhi t c a m t ph n ng b ng t ng nhi t cháy c a ch t đ u tr t ng nhi t cháy c a ch t cu i ΔH p − = ∑ ΔH c (tg ) − ∑ ΔH c (sp) (1.17) N u u ki n chu n T=298K ΔH 298, p − = ∑ ΔH 298,c (tg ) − ∑ ΔH 298,c (sp) (1.18) 3.Các ng d ng * nh lu t Hess h qu c a có m t ng d ng r t l n Hố h c, cho phép tính hi u ng nhi t c a nhi u ph n ng th c t không th đo đ Ví d 1: khơng th đo đ c c nhi t c a ph n ng Cgr + 1/2 O2(k) =CO(k) đ t cháy Cgr ngồi CO (k) t o thành CO2(k) nh ng nhi t c a ph n ng sau đo đ c: Cgr + O2(k) = CO2(k) ΔH 298 =-393513,57 J.mol-1 CO(k) + O2(k) = CO2(k) ΔH 298 =-282989,02 J.mol-1 tính đ c nhi t c a ph n ng ta hình dung s đ sau: Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c Cgr + O2(k) CO2(k) x=? CO(k) + 1/2O2(k) Tr ng thái đ u (Cgr+O2) tr ng thái cu i (CO2(k)) c a c hai cách bi n đ i nh nhau, theo đ nh lu t Hess: -393.513,57 = x - 282.989,02 ö x=-110507,81J.mol-1 Ví d 2: Xác đ nh n ng l ng m ng lu i tinh th c a NaCl(r) bi t + Nhi t nguyên t hóa Na(r) ΔH1 = +108.724 J mol −1 Na(r) å Na(h) + Nhi t phân ly Cl2(k) ΔH = +242.672 J mol −1 Cl2(k) å 2Cl(k) + N ng l ng ion hóa Na(h) ΔH = +489.528 J mol −1 Na(h) å Na+(h) + e +ái l c đ i v i electron c a Cl(k) ΔH = −368.192 J mol −1 Cl(k) + eå Cl-(k) +Nhi t c a ph n ng Na(r) + 1/2 Cl2(k) å NaCl ΔH = −414.216 J mol −1 xác đ nh n ng l ng m ng l i tinh th NaCl ta dùng chu trình nhi t đ ng Born – Haber: Trạng thái đầu H5 NaCl(r) Na(r) + 1/2 Cl2(k) H1 1/2 Na(h) + Cl(k) Trạng thái cuối x=? H3 H4 Na+(h) + Cl-(k) Theo đ nh lu t Hess ta có: ΔH = ΔH1 + / 2ΔH + ΔH + ΔH + x ö x= ΔH − (ΔH1 + / 2ΔH + ΔH + ΔH ) ö x= -765.612J.mol-1 V S PH THU C HI U NG NHI T VÀO NHI T NH LU T KIRCHHOFF Nhi t dung mol c a ch t Là nhi t l ng c n thi t đ nâng nhi t đ c a mol ch t lên 1K su t q trình khơng có s bi n đ i tr ng thái(nóng ch y, sơi, bi n đ i thù hình ) Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c - ng dùng c a C là: J.K-1mol-1 n v th - Nhi t dung mol đ ng áp Quá trình đ dH ⎛ ∂H ⎞ CP= ⎜ ⎟ = ⎝ ∂T ⎠ p dT c th c hi n 2 1 P=const ∫ dH = ∫ CP dT => dH=CpdT => ==> ΔH = ∫ C P dT -Nhi t dung mol đ ng tích Q trình đ c th c hi n dU ⎛ ∂U ⎞ Cv= ⎜ ⎟ = ⎝ ∂T ⎠ v dT ΔU = ∫ Cv dT V=const => dU=CvdT => ==> ΔU = ∫ C v dT 2.Nhi t chuy n pha -Chuy n pha: bay h i ,nóng ch y, đơng đ c, th ng hoa ng trao đ i v i mơi tr ịng mol ch t chuy n pha - ΔH cf nhi t l P=const, m t ch t nguyên ch t chuy n pha su t q trình chuy n pha, nhi t đ khơng thay đ i nh lu t Kirchhoff Xét h kín, P=const Xét ph n ng sau th c hi n b ng hai đ ΔH n1A + n2B n3C + n4D T2 ΔH b ΔHa ΔH1 n1A + n2B n3C + n4D T1 Theo đ nh lu t Hess ta có ΔH = ΔH1 + ΔH a + ΔH b T1 T2 ỵ ΔH a = ∫ (n1C P + n C P ) dT = − ∫ (n1C P + n2 CP )dT A B A T2 B T1 T2 ΔHb = ∫ (n3CPC + n4CPD )dT T1 T2 T ΔH2 = ΔH1 + ∫ [(n3CP + n4CP ) − (n1CP + n2CP )]dT C D A B T1 T2 => ΔH T = ΔH T + ∫ ΔC P dT => Công th c đ nh lu t Kirchhoff 2 T1 V i: ΔC P = ∑ C P (sp) − ∑ C P (tg ) ng: Bài gi ng môn C s lý thuy t Hóa h c u ki n chu n(P=1atm) T1=298 K có: T ΔH = ΔH T 298 + ∫ ΔC P0 dT 298 N u kho ng h p c a nhi t đ => coi ΔC P0 = const ΔH T0 = ΔH 2980 + ΔC P0 ( T − 298) 4.M i quan h gi a n ng l Có th quy u c n ng l ng liên k t nhi t ph n ng ng liên k t (Elk) t ng ng v i n ng l ng phá v liên k t ho c hình thành liên k t ta qui l c Elk ng v i trình phá v liên k t: n ng l ng ng v i trình phá v liên k t n ng l ng liên k t n ng ng liên k t l n liên k t b n - M t ph n ng hoá h c b t kì v b n ch t phá v liên k t c hình thành liên k t m i ΔHpø có th đ c tính qua Elk c a liên k t hố h c Ví d 1: Phá v mol thành nguyên t cô l p: H2(k,cb) > H(k,cb) + H (k,cb) 298K, p= 1atm => EH-H = +432kJ.mol-1 = ΔH 298 Trong tr ng h p Elk coi nh hi u ng nhi t c a q trình Ví d 2: Xét ph n ng N2(k) + 3H2(k) => NH3(k) Th c hi n b ng đ N2(k) + 3H2(k) EN-N 3EH-H ΔH ng 2NH3(k) -6EN-H 2H(k) + 6H(k) ỵ ΔH = EN −N + 3E H − H − EN − H Tài li u tham kh o: Nguy n ình Chi, C S Lí Thuy t Hóa H c, NXB GD, 2004 Nguy n H nh, , C S Lí Thuy t Hóa H c, T p 2, NXB GD 1997 Lê M u Quy n, C S Lí Thuy t Hóa H c - Ph n Bài T p, NXB KHKT, 2000 ... khí lý t ng, tùy theo đ n v c a P V mà có gía tr khác nhau: - N u P (atm), V(dm3=l) ỵ R = 0,082 atm.l.K -1. mol1 - N u P (Pa=N/m2), V(m3) ỵ R = 8, 314 J.K -1. mol -1 1atm = 1, 013 10 5 Pa= 1, 013 10 5N/m2=... = − P(V − V1 ) ΔU = U2-U1 = W + Q U2 - U1 = Qp-P(V2-V1) hay Qp = (U2+PV2) –(U1+PV1) QP: G i nhi t đ ng áp Bài gi ng mơn C s lý thuy t Hóa h c t H=U+PV Ta có: Qp= H2-H1 = ΔH Hđ (1. 11) c g i entapi,... nh lu t Hess: -393. 513 ,57 = x - 282.989,02 x= -11 0507,81J.mol -1 Ví d 2: Xác đ nh n ng l ng m ng lu i tinh th c a NaCl(r) bi t + Nhi t nguyên t hóa Na(r) ΔH1 = +10 8.724 J mol ? ?1 Na(r) å Na(h) + Nhi

Ngày đăng: 06/12/2015, 17:11

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan