Nội dung

HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết CHƯƠNG V :THẾ ĐẲNG ÁP & CHIỀU CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC I. Xác suất nhiệt động (W) - Xác suất nhiệt động học của một hệ là số cách sắp xếp của các phần tử trong hệ. (W >> 1) Hệ có mức độ hỗn loạn càng lớn, tức là xác suất nhiệt động của hệ càng tăng. Ví dụ: Tính xác suất nhiệt động của các hệ sau II. Khái niệm vế Entropi: Ở nhiệt độ thấp nhiều quá trình tự diễn ra khi  H < 0. Tuy nhiên, trong thực tế có một số quá trình có  H ≥ 0 nhưng vẫn tự diễn ra.. Ví dụ như các quá trình sau: Hỗn loạn thấp Hỗn loạn cao H=0 Tự phát QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN KHÍ DIỄN RA TRONG HỆ CÔ LẬP H=0 Hỗn loạn cao Không tự phát Hỗn loạn thấp 1 H=0 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết QUÁ TRÌNH BAY HƠI, NÓNG CHẢY TỰ DIỄN RA CÓ DH > 0 H2O (l) = H2O (h) H2O (r) = H2O (l) độ hỗn loạn thấp → độ hỗn loạn cao Các trường hợp trên cho thấy chiều hướng diễn ra cuả quá trình làm tăng độ hỗn loạn. Từ đó cho thấy hiệu ứng nhiệt  H chưa thể là đại lượng tiêu chuẩn để tiên đoán chiều và giới hạn quá trình . Để đặc trưng cho mức độ hỗn loạn của hệ người ta dùng một đại lượng gọi là entropi. Ký hiệu entropi :S 1.Định nghĩa Entropi: Entropi (S) là thước đo độ hỗn loạn của hệ. S ~ độ hỗn loạn ~ W nên S = f(W) R Hệ thức Boltzmann : S k ln W  N ln W A Trong đó: k - hằng số Boltzmann R - hằng số khí ( 8,314 J/mol.độ hay 1,987 cal/mol.độ) NA - số Avogadro Entropi là hàm trạng thái có giá trị tỉ lệ với lượng chất (thông số dung độ). Entropi tính cho 1 mol chất: S = R.lnW [ cal/mol độ] hay [J/mol.đô] Entropi của một tinh thể hoàn chỉnh của tất cả các đơn chất hay hợp chất đều bằng không ở không độ tuyệt đối (0K). Đối với các tinh thể hoàn chỉnh ở 0K, mổi nguyên tử, phân tử hay ion chiếm một vị trí xác định trong mạng tinh thể , có cùng một năng lượng cực tiểu như nhau (trạng thái trật tự nhất ) nên hệ chỉ có một cách sắp xếp W = 1 → S0 = klnW = 0 2 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết Từ đây ta có thể tính được entropi tuyệt đối của các chất ở các nhiệt độ  khác nhau. Ở 0K, biến thiên entropi ( ∆S0) trong các quá trình biến đổi các chất ở dạng tinh thể hoàn chỉnh đều bằng không. Ví dụ : ở 0K, phản ứng : C(gr) + O2 (r) = CO2 (r) ∆S0 = 0 2.Entropi là tiêu chuẩn xét chiều trong hệ cô lập Trong hệ cô lập những quá trình bất thuận nghịch tự xảy ra là những quá trình có kèm theo sự tăng entropi và tăng cho đến khi đạt giá trị cực đại thì hệ sẽ ở trạng thái cân bằng.  Sự biến thiên entropi trong hệ cô lập :  S  0 Nếu hệ không cô lập ta có thể cô lập hệ bằng cách ghép môi trường vào hệ : ∆Scô lập = ∆Shệ + ∆Smôi trường Vì môi trường ngoài gồm một không gian lớn nên sự trao đổi nhiệt giữa hệ và môi trường ngoài không ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng của môi trường ngoài nên quá trình biến đổi của môi trường ngoài luôn coi là quá trình thuận nghịch. Đối với quá trình đẳng nhiệt đẳng áp, biến thiên entropi của môi trường ngoài được tính như sau: Qmtr = -Qhê nên ∆Smôi trường = Qmtr /T = -Qhê /T 3. Entropi tiêu chuẩn S0298 Để tiện so sánh và tính toán , entropi các chất thường được xác định ở trạng thái chuẩn , nhiệt độ 250C .  Entropi tiêu chuẩn:  Lượng chất: 1 mol  Nhiệt độ: 250C  Ký hiệu S 0298 Áp suất: 1atm  Đơn vị đo: J/mol.K hay cal/molK  được tra bảng ở sách hóa đại cương 4. Tính chất entropi : Entropi tiêu chuẩn các chất có giá trị 3 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết Hệ càng phức tạp, phân tử càng phức tạp thí entropi có giá trị càng lớn. Ví dụ S0298 O(k)) < S0298 O2 (k) < S0298 O3 (k) Đối với cùng một chất, cùng nhiệt độ, entropi của chất đó ở trạng thái rắn ,lỏng, khí có giá trị tăng dần. Ví dụ : S0298 H2O (r) < S0298 H2O (l) < S0298 H2O (k) Nhiệt độ tăng làm entropi tăng, ngược lại áp suất tăng làm giảm entropi. Ví dụ : S0298 H2O (l) < S0350 H2O (l) S400 H2O (k) ở 4 atm < S400 H2O (k) ở 2atM. 4. Tính ∆S0298 trong các quá trình hóa học : Phản ứng hóa học : aA + bB = cC + dD ∆S0298 = (cS0298 (C) + dS0298 (D)) - ( aS0298 (A) + bS0298 (B) ) 0 Ví dụ: Tính S 298 của phản ứng : C(gr) + CO2(k) = 2CO(k) 0 S 298 (J/mol.K) 5.74 213.68 197.54 Phản ứng có n = 1 >0 nên làm tăng thể tích V >0 → entropi tăng Spư > O 0 0 0 0 S 298 2 S 298 (CO )  [ S 298 (C )  S 298 (CO2 )] 2 197.54  [5.74  213.68] 175.66 J / K  0 Nhận xét: Khi nhiệt độ tăng, S của phản ứng tăng không đáng kể . Do đó, nếu khoảng nhiệt độ thay đổi không quá lớn, một cách gần đúng, có thể coi S của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ. III Thế đẳng áp – đẳng nhiệt và chiều diễn ra của phản ứng hóa học. 1. - - Tác động của các yếu tố entanpi và entropi lên chiều hướng diễn ra của các quá trình hóa học Trong quá trình đẳng áp đẳng nhiệt, ta thấy rằng có hai yếu tố tác động lên chiều hướng diễn ra các quá trình hóa học. Đó là yếu tố entanpi và entropi. Trong điều kiện bình thường (nhiệt độ thấp) , các quá trình có khả năng tự diễn ra khi H  0 , nghĩa là khi năng lượng của hệ giảm, hệ chuyển từ trạng thái có năng lượng cao hơn sang trạng thái có năng lượng thấp hơn., do đó trở thành bền vững hơn – hệ chuyển sang trang thái trật tự hơn. Trong hệ cô lập, quá trình tự diễn ra S >0, nghĩa là hệ chuyển từ trạng thái hỗn loạn thấp hơn sang trạng thái có độ hỗn loạn cao hơn, có độ tự do cao hơn – hệ chuyển sang trạng thái kém trật tự hơn. 4 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết - Có thể nhận xét rằng hai yếu tố này tác động đồng thời lên hệ, nhưng theo hai chiều ngược nhau.Vì vậy cần kết hợp hiệu ứng năng lượng và hiệu ứng entropi thông qua một hàm trạng thái mới để xác định chiều diễn biến của các quá trình tự phát ở điều kiện đẳng nhiệt đẳng áp . Hàm trạng thái này ta đặt tên là thế đẳng áp, đẳng nhiệt G (còn gọi tắt là thế đẳng áp , entanpi tự do, năng lượng tự do Gibbs ). Ký hiệu: G (H,S) 2. Thể đẳng áp – đẳng nhiệt và chiều diễn biến của quá trình tự phát. Để có thể dùng tiêu chuẩn entropi xét chiều diễn biến của quá trình, ta gộp hệ phản ứng và môi trường thành hệ cô lập: ∆Scô lập = ∆Spư + ∆Smtr  0 MÔI TRƯỜNG T. ∆Spư - Qmtr = - Qhệ S mtr   H pu  A' Qmtr  Qhe   T T T ∆Hpư - T. ∆Spư  -A’ Đặt G = H –T.S HỆ PƯ (đẳng áp – đẳng nhiệt) ∆Hpư ∆Hpư - A’  0 ∆Gpư  -A’ ; ∆Spư ; A’0 (hệ sinh công) Qhệ = ∆Upư + P.∆V +A’ = ∆Hpư + A’ Vì A’  0 nên ∆Gpư  0 HỆCÔ LẬP = HỆ PƯ + MÔI TRƯỜNG Trong quá trình đẳng nhiệt đẳng áp chiều diễn biến của quá trình tự phát là chiều diễn biến mà thế đẳng áp của hệ giảm và đến khi đạt trạng thái cân bằng thế đẳng áp của hệ đạt giá trị cực tiểu. ĐIỀU KIỆN TỰ PHÁT CHO QUÁ TRÌNH ĐẲNG NHIỆT ĐẲNG ÁP ∆G Quá trình diễn biến ∆G < 0 Tự phát ∆G > 0 Không tự phát, quá trình ngược lại là tự phát ∆G = 0 Hệ ở trạng thái cân bằng Phương trình cơ bản của nhiệt động hóa học : ∆G = ∆H - T∆S Ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T phương trình có dạng là : ∆G0T = ∆H0T - T∆S0T 5 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết 3.Ý nghĩa của ∆G Trong các quá trình hóa học công hữu ích là tất cả dạng công hệ thực hiện được . Ví dụ như công điện trong pin điện hóa học; công chống lại từ trường ; công của các phản ứng quang hóa …..trừ công dãn nở. Một quá trình sinh công có ích (A’ > 0) là quá trình tự xảy ra . Nếu quá trình là thuận nghịch thì công hữu ích cực đại mà hệ sinh bằng độ giảm của thế đẳng áp. A’max =  G Ý nghĩa : Nếu quá trình xảy ra trong hệ là thuận nghịch thì công hữu ích cực đại mà hệ sinh bằng độ giảm thế đẳng áp. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chiều diễn ra của quá trình hóa học Ở điều kiện đẳng áp, đẳng nhiệt một phản ứng có khả năng tự xảy ra (trên phương diện nhiệt động học ) khi biến thiên thế đẳng áp của phản ứng thỏa mản điều kiện : G H  TS  0 Ở nhiệt độ thấp, do │∆H│>> │T. ∆S│nên dấu G phụ thuộc vào dấu H  Như vậy trường hợp này yếu tố entanpi sẽ quyết định chiều diễn ra cua quá trình. Ở nhiệt độ cao, do │∆H│<< │T. ∆S│nên dấu G phụ thuộc vào dấu S  Như vậy trường hợp này yếu tố entropi sẽ quyết định chiều diễn ra cua quá trình. STT Dấu Kết luận H S G 1 2 3 + - + - 4 + + G < 0 G > 0 T thấp G < 0 T cao G > 0 T thấp G > 0 T cao G < 0 Tự phát ở mọi T Không tự phát ở mọi T Tự phát Không tự phát Không tự phát Tự phát 5.Thế đẳng áp tiêu chuẩn G0T  Các chất ở trạng thái chuẩn :nếu là chất khí phải là khí lý tưởng P k=1atm; nếu là dung dịch thì C=1mol/l; nếu là chất rắn và lỏng phải ở dạng đa hình bền ở nhiệt độ khảo sát. 6 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết  Nhiệt độ T tùy ý , ký hiệu : G0T  Nếu chọn ở T = 298K , ký hiệu : G0298  Đơn vị đo : kJ hay kcal 6. Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn G0298 tt :  Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của một chất (tinh khiết) là độ biến thiên thế đẳng áp của phản ứng tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 250C. ( tra bảng ở sách hóa đại cương ) 0  Ký hiệu : G 298 tt  Đơn vị đo: kJ /mol hay kcal/mol  Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của các đơn chất bền ở điều kiện chuẩn được qui ước bằng không. Ví dụ : Cl2(k) ; Br2(l); I2(r) ; C(gr) ; O2(k) ; N2(k) ; H2(k) … đều có G0298 tt = 0 7. Xác định độ biến thiên thế đẳng áp tiêu chuẩn (G0298 ) của các quá trình hóa học a)Theo định luật Hess: Phản ứng hóa học : aA + bB = cC + dD 0 G 298(pư) = [c.( G0298tt)C + d.( G0298tt)D ] - [a.( G0298tt)A + b.( G0298tt)B ] b)Theo phương trình cơ bản của nhiệt động học: Ở nhiệt độ 298K Ở nhiệt độ T G0298(pư) = H0298(pư) – 298.S0298(pư ) G0T(pư) = H0T(pư)–T.S0T(pư)  H0298(pư) – T.S0298(pư) c)Theo hằng số cân bằng: Ở nhiệt độ 298K G0298(pư) = -RTlnKcb(T) = - R.298.lnK298 Ở nhiệt độ T G0T(pư) = -RTlnKcb(T) Nếu G0 [J] thì R = 8,314 J/mol.K Nếu G0 [cal] thì R= 1,987 cal/mol.K d)Theo sức điện động của nguyên tố Ganvanic: G0298(pư) = -nE0F Trong đó:  n- là số electron trao đổi của phản ứng oxyhóa khử thực hiện trong pin điện.  E0 [v] – sức điện động tiêu chuẩn của nguyên tố Ganvanic  F : số Farađây 7 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết Nếu G0 [J] thì F = 96500 [Culong.mol-1]= 96500 [Jun/von.mol] Nếu G0 [cal] thì F = 23061 [cal/von.mol] e) Theo chu trình nhiệt động: Ví dụ: tính G01 của phản ứng A → B Cho biết : A → C G02 C → B G03 Cộng hai pư ta có: A → B G01 = G02 + G03 8. Dự đóan chiều hướng diễn ra của quá trình ở điều kiện chuẩn và trong thực tế trên phương diện nhiệt động học. a) Dự đóan chiều hướng diễn ra của quá trình ở điều kiện chuẩn , nhiệt độ 298K phải dựa vào giá trị G0298(pư) Nếu G0298(pư) < 0 Ở điều kiện chuẩn, phản ứng tự phát theo chiều thuận. Nếu G0298(pư) > 0 Ở điều kiện chuẩn, phản ứng không tự phát theo chiều thuận nhưng tự phát theo chiều nghịch. Nếu G0298(pư) = 0 Ở điều kiện chuẩn , phản ứng đạt trạng thái cân bằng . b)Dự đóan chiều hướng diễn ra của quá trình ở điều kiện thực tế bất kỳ. Cần phải xác định đại lượng Gpư của phản ứng đúng điều kiện : áp suất , nhiệt độ, nồng độ…của quá trình trong thực tế Nếu Gpư < 0 . Ở điều kiện thực tế, phản ứng tự phát theo chiều thuận. Gpư > 0 . Ở điều kiện thực tế, phản ứng không tự phát theo chiều thuận nhung tự phát theo chiều nghịch. Gpư = 0 . Ở điều kiện thực tế , phản ứng đạt trạng thái cân bằng . Ở chương Cân bằng hóa học ta có thể xác định được Gpư ở điều kiện bất kỳ. c)Dựa vào G0298(pư) có thể dự đoán tương đối chiều diễn ra của quá trình ở điều kiện thực tế (nhiệt độ 298K , áp suất , nồng độ các chất trong pư thay đổi tùy ý ) Nếu G0298(pư) < -40kJ . Ở 298K, phản ứng tự phát theo chiều thuận Nếu G0298(pư) > + 40kJ .Ở 298 K, phản ứng không thể tự phát theo chiều thuận mà tự phát theo chiều nghịch . Nếu -40kJ< G0298(pư) < +40kJ. Ở 298 K, phản ứng diễn ra thuận nghịch. 8 HÓA ĐẠI CƯƠNG B - GV : Nguyễn thị Bach Tuyết 0 0 Ví dụ: Tính G 298 và G1500 của phản ứng và cho nhận xét chiều hướng pư : CaCO3(r) H 0 298tt = Cao(r) + CO2(k) (kJ / mol ) -1205.93 -634.94 -392.92 0 S 298 ( J / mol.K ) 92.63 39.71 213.31 -604 -394.38 0 G298 (kJ / mol ) tt -1129 Giải 0 a) Tính theo G298 tt 0 0 0 0 G 298 [G 298 tt (CaO)  G 298tt (CO2 )]  G 298tt (CaCO3 ) pu [-604  (-394.38)] - (-1129) 130.62kJ  0 b) Tính theo phương trình nhiệt động : H 0 298pu [ H 0298tt (CaO)  H 0298tt (CO2 )]  H 0298tt (CaCO3 ) [-634.94  (-392.92)] - (-1205.93) 178.07kJ 178070J  0 0 0 S 0 298pu [S0298 (CaO )  S 298 (CO2 )]  S 298 (CaCO3 ) [39.71  213.31] - 92.63 160.39J/K  0 G 0 298pu H 0298pu  298S 0 298 pu 178070  298 160.39 130273.78J 130.27kJ   40kJ Ở 298K, phản ứng không thể xảy ra theo chiều thuận ở bất kỳ điều kiện  nào. 0 G 01500pu H 1500pu  1500.S 01500 pu H 0298pu  1500.S 0 298 pu  62,52kJ   40kJ  Ở 1500K, trên phương diện nhiệt động học phản ứng có khả năng tự phát theo chiều thuận không những ở điều kiện chuẩn mà còn ở điều kiện bất kỳ. ( nồng độ , áp suất của các chất trong pư thay đổi tùy ý ) 9