›
›

Thế đẳng áp và chiều của các quá trình hóa học

ppt 48 trang phuongnguyen 3420
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Thế đẳng áp và chiều của các quá trình hóa học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptthe_dang_ap_va_chieu_cua_cac_qua_trinh_hoa_hoc.ppt

Nội dung text: Thế đẳng áp và chiều của các quá trình hóa học

  1. CHƯƠNG 7 THẾ ĐẲNG ÁP VÀ CHIỀU CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
  2. 1 Entropy S 2 Năng lượng tự do Gibbs 3 Điều kiện diễn ra của các quá trình HH
  3. ✓ Định nghĩa entropy & ý nghĩa vật lý ✓ Xác định độ biến đổi entropy của quá trình hóa học ✓ Thế đẳng áp và chiều diễn ra của các quá trình hóa học
  4. ✓ “Nhiệt chỉ có thể truyền từ vật thể có nhiệt độ cao hơn sang vật thể có nhiệt độ thấp hơn ”. ✓ Quá trình truyền nhiệt không hoàn toàn chuyển thành năng lượng khác (ví dụ: cơ năng) mà luôn có một phần nhiệt không thể chuyển hóa được, phần nhiệt này chỉ được dùng để truyền cho vật thể có nhiệt độ thấp hơn.
  5. ✓ Dựa vào nguyên lý II, nghiên cứu về sự trao đổi nhiệt với môi trường, trạng thái của hệ chuyển từ nhiệt độ cao sang nhiệt độ thấp, người ta đưa ra khái niệm entropy, S.
  6. ✓ Nếu quá trình TN : S = QTN/T ✓ Nếu quá trình bất TN: S > QBTN/T, (T là nhiệt độ tại đó có xảy ra sự trao đổi nhiệt) ✓ Tổng quát: Q S T ✓ Entropy là hàm trạng thái: S = S2 – S1 = SC – SĐ ✓ Đơn vị tính của S: j/(mol×độ), cal/(mol×độ)
  7. ✓ Nếu hệ là cô lập: Q = 0 => ΔS ≥ 0 . ✓ Nghĩa là đối với hệ cô lập: ➢ Quá trình thuận nghịch, ΔS = 0 ➢ Quá trình bất thuận nghịch: ΔS > 0. ✓ Trong hệ cô lập, quá trình tự xảy ra là quá trình kèm theo sự tăng entropy.
  8. ✓ Entropy là thước đo độ hỗn loạn trạng thái của hệ. ✓ Để chỉ khả năng xảy ra của hệ, người ta dùng đại lượng xác suất trạng thái của hệ. Xác suất của trạng thái càng lớn thì quá trình càng có nhiều khả năng xảy ra.
  9. ✓ Entropy tiêu chuẩn, xác định ở 25oC, 1atm, với khí được xem là lý tưởng, với dung dịch thì nồng độ bằng 1 đơn vị (1mol/lít). 0 ✓ Entropy tiêu chuẩn, ký hiệu: S 298
  10. ✓ Entropy của tất cả các tinh thể tinh khiết ở 0K đều bằng không (S0=0) → Biến thiên Entropy ( S0) trong các quá trình biến đổi các chất ở dạng tinh thể hoàn hảo đều bằng không ở 0K. Ví dụ: ở 0K, phản ứng C(gr)+O2(r) = CO2(r) có S0=0
  11. ✓ Hệ càng phức tạp, phân tử càng phức tạp, thì entropy càng lớn. 0 0 0 ✓ Ví dụ : S 298(O) < S 298(O2) < S 298(O3) 0 0 S 298(NO) < S 298(NO2) ✓ Đối với cùng 1 chất, thì các trạng thái rắn, lỏng, khí, entropy của nó có giá trị khác nhau và tăng dần lên. ✓ Ví dụ: S của nước đá, nước lỏng, hơi nước lần lượt là: 41,31; 63,31; 185,60 j/(mol×độ).
  12. ✓ Tổng quát: S(rắn) < S(lỏng) < S(khí) ✓ Nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng lớn đến entropy: nhiệt độ tăng làm tăng entropy, áp suất tăng làm giảm entropy. (do sự thay đổi độ hỗn loạn). Q U S = V = T T
  13. dQv dU ✓ Quá trình đẳng tích: Q =∆U, Cv = = v dT dT Q U T 2 S = V = = C d(ln T ) v T T T1 dQp dH ✓ Quá trình đẳng áp: Qp= ∆H, C = = p dT dT Q H T 2 S = p = = C d(ln T ) p T T T1
  14. ✓ Trong khoảng nhiệt độ (T2-T1) không lớn, có thể xem Cp, Cv không phụ thuộc vào nhiệt độ, nên: S = C ln T2 v T1 S = C ln T2 p T1
  15. XÁC ĐỊNH ĐỘ BIẾN ĐỔI ENTROPY CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC ✓ Quá trình hóa học ✓ Quá trình chuyển pha, hòa tan ✓ Quá trình giản nở đẳng nhiệt
  16. ✓ Với phản ứng hóa học: V>0 → S>0 khi S<0 → V<0 ✓ Sự thay đổi entropy: S = Ssản phẩm - Stác chất ✓ Xét phản ứng: aA + bB = cC + dD SA SB SC SD Spu = cSC + dSD – (aSA + bSB)
  17. ✓Xét phản ứng: C(gr) + CO2(k) = 2CO (k) ; n=1>0 → V >0 → Spư >0 ✓Xét phản ứng: N2(k) + 3H2(k) = 2NH3(k); n= -2<0 → V<0 → Spư <0
  18. ✓ Ví dụ: (trang 266) Xét phản ứng: C (gr) + CO2 (k) = 2CO (k) S298 j/(mol.K) 5.74 213.63 197.56 S1500 (j/(mol.K) 33.44 291.76 248.71 0 0 0 0 S 298 pu = 2S CO – (S C + S CO2) = 2×197.56 – (213.63 + 5.74)= 175.75 j/K 0 S 1500 pu = 2×248.71 – (291.76 + 33.44)= 172.22 j/K
  19. ✓ Quá trình chuyển pha là quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp: Q H S = p = T T ✓ Quá trình bay hơi, thăng hoa, hòa tan → tăng sự hỗn loạn, nên S tăng ( S>0). ✓ Quá trình ngưng tụ, đông đặc, kết tinh→ giảm entropy ( S<0).
  20. o ✓ Ví dụ: Nước đá, Qnc ở 0 C là 1436.3 cal/mol. S = Q/T = 1436.3/273.16 = 5.2583 cal/(mol.K)
  21. ✓ Ví dụ: Tính S của quá trình nóng chảy và đông đặc o 0 1 mol nước ở 0 C, biết H nc = 6007J/mol . H2O (r)  H2O (l), 273K, 1atm H nc 6007 Snc = = Tnc 273 H đđ − H nc − 6007 Sđđ = = = Tđđ Tđđ 273
  22. ✓ T=const, U=0 QT= U + A=A Q A S = T = T T P A = nRT ln 1 P2 P V ΔS = nRln 1 = nRln 2 P2 V1
  23. VD: Tính S của quá trình trộn lẫn 100g nước ở 10oC với o o 200g nước ở 40 C, Cp (25 C)=75.29 J/(mol.độ) ✓ Giải: T 2 S = C d(ln T ) S= S10 + S40 p T1 S10 =(100/18)×(75.29) ×ln(T/273+10) S40 =(200/18)×(75.29) ×ln(T/273+40) Nhiệt mà nước 40oC mất đi bằng nhiệt 10oC nhận vào: 100 (T-283)=200 (313-T), →T=303K → S=1.4 j/độ
  24. ✓ Năng lượng tự do Gibbs ✓ Xác định độ biến đổi thế đẳng áp entropy của quá trình hóa học. ✓ Điều kiện diễn ra của các quá trình hóa học
  25. ✓ Đối với quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đại lượng phối hợp giữa H và S gọi là thế đẳng áp nhiệt (thế đẳng áp) hoặc gọi là năng lượng tự do Gibbs, ký hiệu là G. ✓ G (H, S) để xét chiều diễn ra của quá trình hóa học. ✓ G là đại lượng năng lượng, xác định trạng thái của hệ ✓ G = H – TS (kj/mol, kcal/mol)
  26. ✓ Độ biến thiên thế đẳng áp khi hệ chuyển từ trạng thái đầu (G1) sang trạng thái cuối (G2); T, P=const: ∆G =G2-G1 ✓ ∆G tỷ lệ thuận với lượng chất phản ứng
  27. ✓ Độ thay đổi G (T=const, P=const) được xác định: G = H – T S (7.19) (7.19) được gọi là phương trình cơ bản của nhiệt động hóa học.
  28. ✓ Thế đẳng tích, đẳng nhiệt (V, T=const) còn gọi là năng lượng tự do Helmholtz: F = U – TS F = U – T S
  29. 0 ✓ Thế đẳng áp tiêu chuẩn G T: được xác định ở điều kiện chuẩn của các chất tham gia quá trình: - Khí: phải là khí lý tưởng. - Nồng độ, hoặc áp suất riêng phần phải bằng 1 đơn vị - Nhiệt độ (thường chọn) 250C. - Chất rắn phải ở dạng đa hình bền ở nhiệt độ khảo sát.
  30. ✓ Độ biến đổi thế đẳng áp của pu tạo thành 1 chất từ các đơn chất gọi là thế đẳng áp tạo thành của chất đó. ✓ Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của 1 chất là độ biến đổi thế đẳng áp của pu tạo thành 1 mol chất đó từ các đơn chất (ở trạng thái tự do bền) ở 25oC và 1atm. 0 ✓ Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn ký hiệu là: G 298 tt ✓ Thế đẳng áp tạo thành tiêu chuẩn của các đơn chất bằng 0. 0 ✓ Ví dụ: khí clo, brom lỏng, graphit có G 298,tt=0
  31. Xét phản ứng: Aa + bB = cC + dD 0 0 0 0 G A G B G C G D 0 0 0 0 0 G pư = c G C + d G D – (a G A + b G B)
  32. Pitfall: cạm bẫy
  33. ✓ Xét phản ứng: N2 (k) + 3H2 (k) = 2NH3 (k) 0 0 0 0 S 298 = 2S − S N2 − 3S H2 NH3 0 0 H298 = 2 H − 0 − 0 NH 3 G0 = 2( G0 ) − 0 − 0 298 tt NH 3 ✓ Ở nhiệt độ không lớn: 0 0 0 G T = H 298 −T S 298
  34. Spontaneity, (n): tự xảy ra
  35. ✓ Theo nguyên lý 1 và 2, người ta chứng minh được: A'≤ - G; (A' là công có ích đẳng nhiệt) ✓ Quá trình thuận nghịch, A'max = - G ✓ Muốn biết quá trình tự xảy ra (sinh công) hay không tự xảy ra được (tiêu tốn công cho hệ)→ phải xét độ biến đổi G của hệ. ✓ Phản ứng tự xảy ra A'> 0 G 0 ✓ Quá trình đạt trạng thái cân bằng: G= 0
  36. ✓ Xét phương trình: G = H – T S ✓ T thấp: T S có giá trị nhỏ → H quyết định chiều của quá trình. ➢ Quá trình phát nhiệt, H 0 → G>0
  37. ✓ T cao: T S có giá trị lớn → G phụ thuộc vào S. Entropy quyết định chiều của quá trình. ➢ Quá trình tăng entropy, S>0 → G 0
  38. ✓ Nhiệt độ không cao, không thấp: Entropy và enthalpy ảnh hưởng đến G. ➢ Quá trình có H 0 → G 0, S 0 (quá trình không thể xảy ra). ➢ Quá trình có H Tcân bằng
  39. Tính G0 ở 298 và 1000K của phản ứng: C (gr) + H2O (k) → CO (k) + H2 (k) 0 H 298tt (kJ/mol) 0 -241.82 -110.52 0 0 S 298tt (J/mol.độ) 5.74 188.72 197.56 130.57 Sol: 0 H 298 = -131.3 kJ 0 S 298 = 133.67 J 0 0 0 → G 298 = H 298 -T S 298 = -131.3 –(298)x0.13367= 91.466 kJ 0 0 0 → G 1000= H 298 -T S 298 = -131.3 –(1000)x0.13367= -2.37 kJ