Giáo án Đại cương về lí thuyết của các quá trình hoá học

đại cương về lí thuyết của các 
quá trình hoá học
I- Nhiệt động lực học hoá học 
I.1. Nguyên lí I- Nhiệt hoá học 
1.1- Nguyên lí I ( Định luật bảo toàn năng lượng )
 Năng lượng không tự nhiên sinh ra, không tự nhiên mất đi mà chỉ biến đổi từ dạng này sang dạng khác.
 Biểu thức: U = Q – A ( 1 )
 U hàm nội năng; 
 U là biến thiên nội năng của hệ trong một quá trình biến đổi
 U là hàm trạng thái ( chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối không phụ thuộc vào cách thực hiện phản ứng)
 Q là nhiệt kèm theo quá trình trên
 A là công kèm theo quá tình trên mà hệ trải qua
- Quá trình xảy ra đẳng áp: P = const
 A = P. V ( A thường là công giãn nở )
 ( 1 ) Û U = Q – P. V 
 Û Q = U + P. V = ( U2 + P.V2) - (U1 + P. V1 ) (2)
 Đặt H = U + P.V 
 H được gọi là hàm entapi ( hiệu ứng nhiệt đẳng áp ). U là hàm trạng thái. 
 Do đó H là hàm trạng thái
(2) Û Q = H = H2 - H1 = ồHsp - ồHcđ =U + P. V ( 3 )
1.2- Nhiệt hoá học 
a) Định luật Hess : Nhiệt của phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và cuối, không phụ thuộc vào cách tiến hành phản ứng, nghĩa là không phụ thuộc vào số lượng và đặc trưng của các giai đoạn trung gian.
b) Từ nguyên lí I : U, H là các hàm trạng thái nên U, H không phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái chất đầu và chất cuối đ Nội dung nguyên lí I là nội dung của định luật Hess
c) Dấu của H 
 Hệ toả nhiệt H < 0
 Hệ thu nhiệt H > 0
VD: H2(k) + 1/2O2(k) = H2O(k) ; H = -57,8 (kcal/mol) đ phản ứng thu nhiệt
d) Hệ quả: 
- Nếu phản ứng thuận có hiệu ứng nhiệt H thì phản ứng nghịch có hiệu ứng nhiệt là -H
- Hiệu ứng nhiệt của một chu trình bằng không
 VD1: Hãy xác định nhiệt của quá trình oxi hoá C(r) thành CO(k), biết thực nghiệm thu được 
C(r) + O2(k) = CO2(k) H1 = -393,365 (kJ/mol)
CO(k) + 1/2 O2(k) = CO2(k) H2 = - 282,7189 (kJ/mol)
Giải: Thiết lập chu trình phản ứng dựa theo nội dung của định luật Hess 
 C(r) COk
 H1 
 -H2
 CO2 k
Từ chu trình ta có các mối liên hệ:
Cr + O2 k = CO2 k ; H1
CO2 k = COk + 1/2O2 k ; -H2
________________________________
 C(r) + 1/2 O2(k) = CO(k) ; Hx = H1 -H2 = - 110,4176 (kJ)
Bài tập:
Bài 1: Xác định H của phản ứng: S (r) + 3/2O2(k) = SO3(k) ; H1 = ?
Biết : S(r) + O2(k) = SO2(k) ; H2 = - 297 (kcal/mol)
 SO2(k) + 1/2O2(k) = SO3 (k) ; H3 = -98,2 (kcal/mol)
ĐS: H1 = -395,2 (kcal/mol) 
Bài 2: Cho các số liệu động học của một số phản ứng sau ở 298K và 1atm:
2NH3 + 3N2O 4N2 + 3H2O (1) ; H1= -1011 (kJ)
N2O + 3H2 N2H4 + H2O (2) ; H2 = -317 (kJ)
2NH3 + 1/2O2 N2H4 + H2O (3) ; H3 = -143 (kJ)
H2 + 1/2O2 = H2O (4) ; H4 = -286 (kJ)
Tính entanpi (nhiệt tạo thành) của N2H4, N2O
ĐS:1) Nhiệt tạo thành của N2H4 tức là nhiệt của phản ứng 
N2 + 2H2 = N2H4 (5) ;H5 = 1/4[ -( H1+H4) + H3 + 3H2] 
 = 50,75 (kJ/mol)
2) Nhiệt tạo thành N2O tức là hiệu ứng nhiệt của phản ứng 
N2 + 1/2O2 = N2O (6) ; H6 = H5 + H4 -H2 = 81,75 (kJ/mol)
1.3- Các cách tính nhiệt của phản ứng hoá học 
a) Tính nhiệt của phản ứng hoá học từ nhiệt sinh
- Nhiệt sinh ( nhiệt hình thành ) của một hợp chất là nhiệt của phản ứng tạo ra 1 mol hợp chất đó từ các đơn chất ở trạng thái ở trạng thái bền nhất hay thường gặp nhất của những nguyên tố tự do của hợp chất trong những điều kiện đã cho về nhiệt độ và áp suất
Qui ước:
- Nhiệt sinh tiêu chuẩn:H0S 298 là nhiệt sinh của chất ở 298K (250C), P = 1 atm
- Sinh nhiệt tiêu chuẩn của các đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn bằng không
Quy tắc : Nhiệt của một phản ứng bằng tổng nhiệt sinh của các chất cuối trừ tổng nhiệt sinh của các chất đầu
Công thức : H0pư = - 
là nhiệt tạo thành của các chất sản phẩm
 là nhiệt tạo thành của các chất tham gia phản ứng 
H0pư thay đổi theo nhiệt độ không nhiều lắm, nhiều trường hợp coi như không đổi.
VD2: Hãy xác định nhiệt của phản ứng sau:
4FeCO3 tt + O2 k = 2Fe2O3 tt + 4 CO2 k 
Biết nhiệt sinh tiêu chuẩn H0S 298 của các chất trong phương trình phản ứng đó như sau:
Chất CO2 k 	FeCO3 tt	Fe2O3 tt 	O2 k
H0S 289 - 393,51	-747,68	-821,32	0
( kJ/mol)
Ta có nhiệt của phản ứng trên là:
H0pư = 4 (H0S 298 )CO + 2 (H0S )FeO - 4(H0S )FeCO
 = - 225,96 ( kJ/mol)
Bài tập:
Bài 1: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng CaOr + CO2 k = CaCO3 r ;Hpư = ? 
 Biết : H S 298 (kJ/mol) -636 -394 -1207
Bài 2:
a)Khi 1 mol rượu CH3OH cháy ở 298K và ở thể tích cố định theo phản ứng :
CH3OH(l) + 3/2 O2 (k) = CO2(k) + 2 H2O(l)
 giải phóng ra một lượng nhiệt là 173,65 kcal/mol. Tính Hpư
b) Biết nhiệt sinh tiêu chuẩn của H2O(l) và CO2(k) tương ứng là -68,32 và -94,05 kcal/mol. Tính sinh nhiệt tiêu chuẩn của CH3OH(l)
b) Tính nhiệt của phản ứng từ nhiệt cháy ( thiêu nhiệt )
- Định nghĩa: Thiêu nhiệt của một chất là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy một mol chất đó bằng oxi ở điều kiện tiêu chuẩn để tạo thành các oxit bền
VD: hiệu ứng nhiệt của phản ứng:
CH4 (k) + 2O2(k) = CO2(k) + 2H2O(l) ; H0298 = -212,7 (kcal/mol)
được gọi là thiêu nhiệt của CH4 (k)
- ứng dụng: Có thể tính hiệu ứng nhiệt của một phản ứng khi biết thiêu nhiệt của các chất phản ứng và các sản phẩm
- Biểu thức: H0pư = -
là nhiệt cháy của các chất sản phẩm
là nhiệt cháy của các chất tham gia phản ứng
VD3: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng : 2CH4 đ C2H2 + 3H2
Biết nhiệt cháy của các chất như sau:
CH4 + O2 đ CO2 + 2H2O ; HC 1 = -803 (kJ/mol)
C2H2 + 5/2 O2 đ 2CO2 + H2O ; HC 2 = -1257 (kJ/mol)
H2 + 1/2 O2 đ H2O(hơi) ; HC 3 = - 394 (kJ/mol)
H0pư = 2HC 1 - HC 2 - 3HC 3 = 377 (kJ/mol)
Bài tập:
Bài 1: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng 
C2H5OH (l) + CH3COOH(l) = CH3COOC2H5 (l) + H2O(l)
Cho biết thiêu nhiệt của các chất như sau:
C2H5OH(l) ; Htn1= - 326,7 (kcal/mol)
CH3COOH(l) ; Htn2 = -208,2 (kcal/mol) 
CH3COOC2H5 (l) ; Htn3 = -545,9 (kcal/mol) 
ĐS: 
c) Nhiệt chuyển pha
- Các quá trình chuyển pha thường gặp là: 
+ Sự nóng chảy, sự hoá rắn
+ Sự bay hơi, sự ngưng tụ
+ Sự thăng hoa
+ Sự chuyển dạng thù hình
Các quá trình chuyển pha cũng thường kèm theo hiệu ứng nhiệt, gọi là nhiệt chuyển pha
VD: Xác định nhiệt chuyển pha của quá trình:
C(graphit) đ C(kim cương) ; H1 = ?
Biết :
Cgraphit + O2 (k) = CO2 (k) ; H2 = -94,052 (kcal/mol)
Ckim cương + O2 (k) = CO2 (k) ; H3 = -94,505 (kcal/mol) 
Giải: 
H1 = H2 - H3 = 0,453 (kcal/mol) 
Bài 1: Biết: H0S H2O (l) = -68,32 (kcal/mol) 
 H0S H2O (k) = -57,8 (kcal/mol) 
Xác định Hhoá hơi của nước
d) Nhiệt phân li
Nhiệt phân li của một chất là năng lượng cần thiết để phân huỷ 1 mol phân tử của chất đó ở thể khí thành các nguyên tử ở thể khí.
VD: H2 (k) = 2H(k) ;H = 104,2 (kcal/mol) 
e)Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng từ năng lượng liên kết 
Năng lượng liên kết là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ 1 liên kết để tạo thành các nguyên tử ở thể khí
Ta thấy: nhiệt phân li = tổng năng lượng liên kết hoá học của tất cả các kiên kết trong phân tử của nó
VD: tính năng lượng liên kết của liên kết C-H trong phân tử CH4 biết :
- Sinh nhiệt tiêu chuẩn của CH4: H0S, 298, CH4 = -98 (kcal/mol) 
- Nhiệt phân li của H2: Hpl,H2 = 104,2 (kcal/mol) 
- Nhiệt thăng hoa của C: Hth, C = 172 (kcal/mol) 
Giải: Viết các phương trình biểu diễn mối liên quan giữa các phương trình có liên quan
H0pư = -
VD4: Tính năng lượng liên kết của H-I. Biết năng lượng liên kết của H-H và I-I lần lượt là 436 kJ/mol và 151 kJ/mol
2HI = H2 + I2 ;H0pư = 52 (kJ/mol)
HH-I = (436 + 151 – 52 )/2 = 267,51 (kJ/mol)
Bài 1: Tính sinh nhiệt chuẩn của As(III)oxit tinh thể. Biết:
a) As2O3 (r ) + 3H2O = 2 H3AsO3 (dd) ; H1 = 7,55 (kcal/mol) 
b) AsCl3 (r ) + 3 H2Ol = H3AsO3 (dung dịch) + 3 HCl(dd) ; H2 = 17,58 (kcal/mol)
c) As( r ) + 3/2 Cl2 (k) = AsCl3 ( r ) ; H3 = -71,39 (kcal/mol) 
d) HCl(k) + aq = HCl (dd) ; H4 = -17,31 (kcal/mol) 
e) 1/2H2 (k) + 1/2 Cl2 (k) = HCl (k) 	 ; H5 = - 22,24 (kcal/mol) 
f) H2(k) + 1/2 O2(k) = H2O (l)	 ; H6 = -68,3 (kcal/mol) 
Bài 2: Nhiệt phân li của hiđro là 104 (kcal/mol) 
- Nhiệt phân li của oxi là 118 (kcal/mol) 
- Sinh nhiệt của nước lỏng là - 68,3 (kcal/mol) 
- Nhiệt bay hơi của nước là 10,5 (kcal/mol) 
Xác định năng lượng liên kết của O-H trong phân tử nước
Bài 3: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng :
C2H4 (k) + H2 (k) = C2H6 (k)
Cho biết :
E(H-H) = 104 (kcal/mol) 
E(C=C) = 147 (kcal/mol) 
E(C-C) = 83 (kcal/mol) 
E(C-H) = 99 (kcal/mol) 
Bài 4: Tính năng lượng mạng lưới tinh thể của BaCl2, từ 2 loại dữ kiện sau
a) Sinh nhiệt của BaCl2 tinh thể: -205,6 (kcal/mol) 
- Nhiệt phân li của Clo: 57 (kcal/mol) 
- Nhiệt thăng hoa của Ba kim loại : 46 (kcal/mol) 
- Thế ion hoá thứ nhất của Ba: 119,8 (kcal/mol) 
- Thế ion hoá thứ hai của Ba: 230,0 (kcal/mol) 
- ái lực với electron của Cl: -88,5 (kcal/mol) 
b) – Nhiệt hoà tan của BaCl2 : -2,43 (kcal/mol) 
- Nhiệt hiđrat hoá của ion Ba2+: -321,22 (kcal/mol) 
- Nhiệt hiđrat hoá của ion Cl- : - 86,755 (kcal/mol
II- Nguyên lí II - Entropi
II.1- Nguyên lí II: 
Nhiệt không thể truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn
II.2- Entropi
1- Quá trình tự diễn biến
- Nhiệt từ vật nóng truyền sang vật lạnh hơn chứ không có quá trình ngược lại
- Nước hoa từ lọ có thể tự bay khắp phòng còn quá trình ngược lại thì không tự diễn ra.
2- Entropi 
Các hệ trong tự nhiên luôn có xu hướng chuyển từ trạng thái trật tự sang trạng thái vô trật tự hơn. Sự vô trật tự của một hệ phụ thuộc vào thành phần, nhiệt độ và áp suất của hệ. 
Để đánh giá sự tự diễn biến của của một quá trình ta dùng khái niệm mới là Entropi và kí hiệu là S. S là một hàm trạng thái
 	Nếu sự vô trật tự càng lớn thì S càng cao
Biến thiên entropi S của hệ và của môi trường xung quanh tăng lên
S tổng = S hệ + S mtxq > 0 thì quá trình là tự diễn biến
S = = 
VD5: Một mol nước đá nóng chảy tại P= 1 atm và 00C thì hấp thụ một lượng nhiệt là 6003,734J. Tính S của quá trình 
T = t0C = 273,15 = 273,15 K
Nhiệt đã cho là nhiệt nóng chảy, ta có thể dùng kí hiệu 
Qnc = Hnc = 6003,734(J/mol)
Vậy S nc = = = 6003,734 /273,15 = 21,98 (J/mol.K)
* Cách tính Spư = ồS298, sp - ồS298, cđ
VD: Tính biến thiên entropi của phản ứng 
 CaCO3 (r) = CaO(r) + CO2 (k)
Biết S0298,(cal/mol.K) 22,16 9,5 51,06
S0298,pư = 51,06 + 9,5 – 22.16 = 38,4 (cal/mol.K)
Biến thiên entropi dương. Phản ứng tư diễn biến về phương diện entropi
* Chú ý : Entropi S của từng chất thay đổi theo nhiệt độ thì khá nhiều nhưng Spư thì không thay đổi nhiều lắm
III- Năng lượng tự do Gipxơ ( Thế đẳng áp-đẳng nhiệt)
Thế nhiệt động là hàm của T, P. Nó là một hàm trạng thái. Hàm G(T,P) là thế nhiệt động hay năng lượng tự do Gipxơ
* Nhận xét: Hai yếu tố entanpi và entropi là hai yếu tố đồng thời tác động lên hệ nhưng theo hai chiều ngược nhau: Về phương diện hoá học, entanpi giảm khi các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành các phân tử với các liên kết bèn vững nhưng entropi lại giảm gỉm vì độ hỗn loạn của hệ giảm
Ngược lại, khi entropi tăng, yếu tố entropi là thuận lợi cho sự diễn biến của quá trình thì hệ lại hấp thụ năng lượng để phá vỡ liên kết của các phân tử, do đó entanpi của hệ tăng lên
Nói cách khác, trong mỗi qúa trình luôn luôn có sự cạnh tranh giữa 2 yếu tố : yếu tố entanpi ( giảm năng lượng) và yếu tố entropi ( tăng mức độ hỗn loạn). Trong cuộc cạnh tranh này yếu tố nào mạnh hơn sẽ quyết định chiều hướng của quá trình.
Đại lượng thế đẳng áp- đẳng nhiệt là sự thống nhất giữa 2 yếu tố entanpi và entropi 
1) ở T, P không đổi ( đẳng nhiệt, đẳng áp) biến thiên của hàm G là G là tiêu chuẩn về cân bằng và tự diễn biến
 	 G = 0 Quá trình đạt tới trạng thái cân bằng
 G < 0 Quá trình tự xảy ra
Viết gộp G Ê 0
2) Biểu thức thống nhất giữa hai nguyên lí
Phương trình Gipxơ- Hemhon:
 G = H - TS
Gpư = SGchất đầu - SGchất cuối
G S, 298 đơn chất = 0
VD6 : Xác định chiều tự diễn biến của phản ứng sau ở 298K
 CuO r + Cr đ Cur + COk
Biết S0298 cal/mol.K 10,4 1,37 7,96 51,03
 H0S 298K kcal/mol -38,72 0 0 -26,42
Giải:
H0pư = -26,42+ 0 – 0- ( -38,72) = 12,3 ( kcal/mol)
S0pư = 51,03 +7,96- 10,4- 1,37 = 47,27 (cal/mol.K)
G pư = H pư - TSpư = 12,3 – 47,27.298/1000 = - 1,786 ( kcal/mol) < 0
Vậy phản ứng có thể tự diễn biến
* Chú ý: Nếu đối với quá trình thuận G 0. Khi G = 0 thì quá trình có thể diến ra theo cả hai chiều ngược nhau ( phản ứng cân bằng)
Bài 1: Đối với phản ứng CaCO3 (r) = CaO( r ) + CO2 (k)
H0298 (kcal/mol) -288,5 -151,9 -94
S0298 (cal/mol.K) 22,16 9,5 51,06 
Xác định chiều phản ứng ở 298K. Xác định nhiệt độ ở đó CaCO3 bắt đầu bị phân huỷ
ĐS: Gthuận > 0 phản ứng tự diến biến theo chiều nghịch
T > 1109,4 K thì phản ứng tự diễn biến theo chiều CaCO3 bị phân huỷ
Bài 2 : Đối với phản ứng 
H2Ok + Cr đ COk + H2 k
ở 600K G01 = 12,18 (kcal/mol) 
ở 700K G02 = 8,14 (kcal/mol) 
Tính giá trị trung bình của biến thiên entropi trong khoảng nhiệt độ này.
ở nhiệt độ nào thì phản ứng này xảy ra được? Coi H0, S0 không thay đổi theo 
nhiệt độ
H0 = - 36 420 (cal/mol) ; S0 = 40,4 (cal/mol.T) 
 T = 901K thì phản ứng bắt đầu diễn ra theo chiều thuận
Bài 3: Cho H0298 (cal/mol) S0298 (cal/mol.K)
 O2(k) 0	49,01	
	Sr	 0	7,62
	H2Ok	 -57800	45,13
H2S -4800	49,1
Hỗn hợp khí H2S và O2 ở đktc có bền không nếu như giả thiết có phản ứng theo sơ đồ
	H2Sk + O2 đ H2O k + Sr
Bài 4: ở nhiệt độ nào phản ứng 
PCl5 PCl3 + Cl2
đầu xảy ra biết H0298 (cal/mol) S0298 (cal/mol.K)
 PCl5 -88 300	84,3
 PCl3 - 66 700 	74,6
 Cl2 0 53,3
Bài 5: Cho phản ứng Fe2O3(r) + 3H2 (k) = 2Fe + 3 H2O(k)
Biết ở điều kiện chuẩn G0pư = 13,036 (kcal/mol) và ở nhiệt độ cao hơn 678K, hiđro bắt đầu khử được oxit sắt, entropi và entanpi của phản ứng coi như không phụ thuộc vào nhiệt độ. Tính H0298,S0298 của phản ứng 
ĐS: S0298 = 33,8 (cal/mol.T); H0298 = 22,9 (kcal/mol) 
Bài 6: Trong lò cao luyện gang xảy ra các phản ứng sau:
Phản ứng H0298(kcal/mol) S0298 (cal/mol.K)
1) Cr + O2 (k) = CO2 -94,05 	 - 0,69
2) C( r ) + CO2 (k) = 2CO(k)	 +41,21 + 42,01
3) 3CO(k) + Fe2O3( r ) = 3 CO2 (k) + 2 Fe( r ) -6,09	 	 +3,0
4) CO(k) + 3 Fe2O3( r ) = CO2(k) + 2Fe3O4 ( r ) 	 - 12,83	 + 9,4
5) CO(k) + Fe3O4 (r) = CO2 ( k) + 3 FeO( r ) 	 + 8,67	 + 10,10
6) CO(k) + FeO ( r) = Fe ( r ) + CO2 ( k )	 - 3, 83 - 3,41
Tính G0298 của các phản ứng 
3C ( r ) + 2Fe2O3 ( r ) = 3CO2(k) + 2Fe ( r )
2C ( r ) + Fe3O4 ( r ) = 2CO2 (k) + 3Fe (r )
C ( r ) + 2FeO (r ) = CO2 ( k) + 2Fe ( r) 
ở 4000C, 6500C, 7000C- 8000C sẽ xảy ra các phản ứng khử các oxit Fe nào bằng CO, C