Title Chuyên đề 5. Nhiệt hóa học và nhiệt động học.doc ✅

Trang 1 CHUYÊN ĐỀ 5. NHIỆT HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC A. LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO  I. NHIỆT HÓA HỌC 1. Nhiệt phản ứng (kí hiệu  H, đọc là entanpi)  Trong phản ứng hóa học, vì tổng năng lượng của các chất tham gia và các chất tạo thành không bằng nhau, nghĩa là có sự biến đổi năng lượng. Sự biến đổi năng lượng (tỏa ra hoặc hấp thụ) được thể hiện dưới dạng nhiệt năng, quang năng hoặc điện năng, trong đó nhiệt năng đóng vai trò quan trọng nhất. Nhiệt phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hay hấp thụ trong một phản ứng hoá học. Phản ứng tỏa nhiệt H < 0, phản ứng thu nhiệt H > 0. Theo định luật bảo toàn năng lượng, nếu tổng năng lượng của các chất tham gia phản ứng lớn hơn tổng năng lượng của các chất tạo thành (sản phẩm) thì phản ứng tỏa nhiệt và ngược lại. Ví dụ: 1 222H(k)1/2O(k)HO(k)H241,8kJ.mol (tỏa nhiệt) Chiều ngược lại là chiêu thụ nhiệt.  1 222H(k)1/2O(k)HO(k)H241,8KJmol 2. Năng lượng liên kết  Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học giữa hai nguyên tử thành các nguyên tử riêng lẻ ở trong pha khí, Năng lượng tạo thành liên kết có trị số bằng năng lượng phá vỡ liên kết nhưng trái dấu. Đối với phân tử có nhiều liên kết giống nhau (ví dụ như CH có 4 liên kết C-H) thì năng lượng liên kết được lấy giá trị trung bình.  Như chúng ta đã biết, bản chất của phản ứng hóa học là sự phá vỡ các liên kết cũ của các chất tham gia phản ứng và sự tạo thành các liên kết mới của sản phẩm phản ứng. Như vậy, phản ứng sẽ giải phóng năng lượng (tỏa nhiệt) nếu tổng năng lượng tạo thành các liên kết mới lớn hơn tổng năng lượng phá vỡ các liên kết cũ.  Do đó H của phản ứng:  aAbBcCdD được tính theo công thức:  ABCDHaHbHcHdH Trong đó H A , H B là tổng năng lượng tất cả các liên kết trong A, B, còn H C , H D ) là tổng năng lượng tất cả các liên kết trong C, D. Ví dụ: Thực nghiệm cho biết năng lượng liên kết, kí hiệu là E, (theo kJ.mol/l) của một số liên kết như sau:  Liên kết O-H (ancol) C=O (RCHO) C-H (ankan) C-C (ankan) E 437,6 705,2 412,6 331,5 Liên kết C-0 (ancol) C-C (RCHO) C-H (RCHO) H-H E 332,8 350,3 415,5 430,5 a) Tính nhiệt phản ứng ( 0H pư ) của phản ứng: 22222 2CH(CHO)2HCHCHOH (1) b) 0H pư tính được ở trên liên hệ như thế nào với độ bền của liên kết hóa học trong chất tham gia và sản phẩm của phản ứng (1)?  Giải a) Phương trình phản ứng: 

Trang 3 Chất NH 3 (k) SO 2 (k) SO 3 (k) CO(k) CO 2 (k) H 2 O(k) H 2 O(l) NO(k) H o -46,2 -296,8 -395,7 -110,5 -393,5 -241,8 -285,8 +90,3 Chất NO 2 (k) C 2 H 4 (k) C 2 H 6 (k) C 2 H 2 (k) C 6 H 6 (k) CH 4 (k) H 2 SO 4 (l) NaOH(r) H o +90,3 +52,3 -84,7 +226,8 -48,6 -74,5 -814,0 -425,6 - Tất cả các đơn chất và nguyên tố bền đều có nhiệt tạo thành bằng 0. Ví dụ 3: Đốt cháy một lượng xác định C 2 H 5 OH (l) ở P = const = 1 atm và 273K trong sự có mặt của 22,4 dm 3 oxi toả ra 343 kJ: - Tính số mol C 2 H 5 OH đã dùng, biết rằng sau phản ứng còn lại 5,6 dm 3 oxi ở điều kiện chuẩn (273K và 1 atm); - Tính nhiệt cháy chuẩn của C 2 H 5 OH ở 273K - Ở 273K nhiệt cháy chuẩn của axit axetic là - 874,5 kJ.mol -1 . Tính 0 273ΔH của phản ứng:  25232CHOH()O(k)CHCOOH()HO()lll Giải 2On phản ứng = 22,45,6 22,4  = 0,75 mol  25222CHOH()3O(k)2CO(k)3HO()ll 0,250,75 01223,c251HCHOH()x(343)1372kJmol 0,25l 25232CHOH()O(k)CHCOOH()HO()lll Vì nhiệt cháy của 22O và HO ở 273K bằng không nên: 000273273,c25273,c3HHCHOH()HCHCOOH()ll = -1372 - (-874,5) = - 497,5 kJ.mol -1 Chú ý: (1) Nhiệt sinh chuẩn của một chất: Là nhiệt phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất trong điều kiện các chất tham gia phản ứng và sản phẩm của phản ứng phải là nguyên chất ở 1 atm và giữ nguyên P, T, thường T = 298K và được kí hiệu 0 298.sH . Ví dụ: 01298,s2HCO393.51kJ.mol . Nó là nhiệt của phản ứng sau ở 25°C khi 221atmOCOPP C gr + O 2 (k) + CO 2 (k) - Từ định nghĩa trên ta suy ra rằng nhiệt sinh chuẩn của đơn chất bền bằng không.  - 0 298H phản ứng = 0 298,sH (sản phẩm) - 0 298,sH (tham gia) (2) Nhiệt cháy chuẩn của một chất: Là nhiệt phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol chất đó bằng oxi tạo thành các oxit bền với hoá trị cao nhất của các nguyên tố khi các chất trong phản ứng đều nguyên chất ở P = 1 atm và giữ áp suất và nhiệt độ không đổi, thường T = 298K và được kí hiệu là 0 298,cH . Ví dụ: 01298,c4HCH890,34kJ.mol ứng với nhiệt phản ứng sau ở 25 o C và 422CHCOOP= P= P= 1atm   4222CH(k)2O(k)CO(k)2HO()l - 0 298H phản ứng = 0 298.cH (tham gia) - 0 298,cH (sản phẩm) (3) Điều kiện chuẩn của một phản ứng: Các chất trong phản ứng phải là nguyên chất ở P = 1atm, nếu là chất tan trong dung dịch thì nồng độ mol của nó (hoặc ion) là 1 M và phản ứng phải tiến hành ở áp suất không đổi (hoặc thể tích không đổi) và T = const, thường thì T = 298K. Trong trường hợp này nhiệt phản ứng được kí hiệu là 0 298H .
Trang 4 Ví dụ: 422CH()CO()2CO()2H()kkkk   - Điều kiện chuẩn của phản ứng này là 242CHCOCOHP= P= P= P= 1atm và duy trì áp suất và nhiệt độ không đổi. 4. Định luật Hess (Hexơ)  Nhiệt phản ứng (biến thiên H) của một phản ứng hóa học chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối của các chất, không phụ thuộc vào các giai đoạn trung gian của quá trình, nghĩa là vào con đường đi tới sản phẩm cuối cùng. Chẳng hạn, xét phản ứng sau đây thực hiện bằng 2 con đường:  2 21234 H TnAnBnCnD H a H b 1 11234()nAnBnCnDH T   Theo định luật Hess ta có: 2a1bΔHΔHΔHΔH Phương trình phản ứng có viết kèm theo nhiệt phản ứng gọi là phương trình nhiệt hóa học. Ví dụ 1: Tính nhiệt của phản ứng đốt cháy metan:  4222CH(k)2O(k)CO(k)2HO(k)ΔH? Giải Ta có thể viết: 4(graphit) 211x CH(k)C2H(k)ΔH74,5kJ (graphit) 2221x CO(k)CO(k)ΔH393,5kJ 2223 1 2x H(k)O(k)HO()ΔH285,8kJ 2l 4222CH(k)2O(k)CO(k)2HO()l 123ΔH = ΔH+ ΔH+ ΔH= -890J ,6k Ví dụ 2: Ở 25°C phản ứng sau: 2222H(k)O(k)2HO (h)  toả ra một nhiệt lượng là 483,66 kJ trong điều kiện áp suất riêng phần của mỗi khí trong phản ứng bằng 1 atm và phản ứng thực hiện ở áp suất là hằng số. Nhiệt bay hơi của nước lỏng ở 25°C và 1 atm là 44,01 kJ.mol -1 - Tính nhiệt sinh chuẩn của H 2 O (h) và H 2 O (l) ở 25°c - Tính nhiệt lượng toả ra khi dùng 6 gam H2 để phản ứng tạo thành H 2 O (l)  Giải Điều kiện chuẩn của sự tạo thành 1 mol H 2 O (h) từ các đơn chất bền ở T = const là 222HOHO(h) P= P= P= 1atm - Vậy nhiệt sinh chuẩn của H 2 O (h) ở 25 o C là:  0 298, 483,66 ΔH 2 = - 241,83 kJ.mol -1   - Nhiệt sinh chuẩn của H 2 O (l) ở 25 o C là:  o ΔH 222 1 H(k)O(k)HO() 2l