Bài giảng Nhiệt động hóa học và hóa keo

1NHIỆT ĐỘNG HOÁ HỌC VÀ HÓA KEO ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HOÁ HỌC ******* Nguyễn Xuân Hoàn Giới thiệu chung Kiểm tra, đánh giá: theo hình thức Tín chỉ Mục tiêu học phần: Các nguyên lí của nhiệt động học Ứng dụng các nguyên lí đó vào cân bằng hoá học, cân bằng pha và dung dịch Các kiến thức về hệ phân tán và một số tính chất Thời gian : 30 giờ (Số TC = 3 ) (Lý thuyết : 70% – Bài tập : 30% - Thực hành thí nghiệm : Thực tập Hoá Lý) Nội dung chi tiết học phần Phần 1: Nhiệt động hóa học : i t Phần 2: Hóa học chất keo : t ¾ Mở đầu ¾ Nguyên lý 1 của Nhiệt động học ¾ Nguyên lý 2 của Nhiệt động học ¾ Cân bằng hóa học ¾ Nguyên lý 3 của Nhiệt động học ¾ Cân bằng pha ¾ Mở đầu ¾ Tính chất các hệ keo ¾ Sự bền vững tương đối của hệ keo ¾ Giới thiệu một số hệ thống keo Tài liệu tham khảo môn học 1. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế. Hóa lí, tập I và tập II, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, 1998. 2. Vũ Ngọc Ban. Giáo trình Nhiệt động hoá học, NXB Đại học Quốc gia, 2004. 3. Nguyễn Đình Huề. Giáo trình Hoá lý, Tập I và Tập II, NXB GD, Hà Nội, 2000. 4. Atkins P. W. Physical Chemistry, Part 1, Sixth Ed. Oxford University Press, 1998. 5. Trần Văn Nhân, Hóa keo, Nhà XB ĐHQG Hà nội 6. HÓA LÝ ? Sự hiểu biết Khoa học Hóa học Hóa lý Nhân loại Xã hội (khoa học) Vật lý Sinh học Hóa Phân tích Hóa Vô cơ, Hcơ Vĩ mô (Macroscopis) Nhiệt động học Phân tử (Molecular) Hóa học lượng tử Phương pháp Phổ Nhiệt động học thống kê Động học Biến đổiCân bằng Cấu trúc HÓA LÝ ? 2NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC? ™ Nghiên cứu mqh giữa nhiệt và các dạng năng (cơ, điện, hóa,…) và sự biến đổi trạng thái của hệ ™ Tìm ra quy luật xảy ra cho hệ nghiên cứu ™ Nghiên cứu và chứng minh sự tồn tại các nguyên lý 1, 2 và 3 của NĐH ™ Ứng dụng các nglý đó vào cân bằng hóa học, cân bằng pha và dung dịch NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC? ™ Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ™ Chều hướng và giới hạn của phản ứng hóa học (ảnh hưởng các yếu tố bên ngoài: P, T, V,… lên chuyển dịch cân bằng của phản ứng) ™ Nghiên cứu cân bằng pha (các qt nóng chảy, bay hơi,…) ™ Nghiên cứu tính chất dung dịch và các ứng dụng thực tiễn của các quy luật ™ Quan tâm đến trạng thái đầu và cuối của phản ứng 2 mm V a bV RTp −−= Sadi Carnot NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Máy hơi nước: Sự quay bánh và trục nhờ vào sự giãn nở của hơi nước và là một quá trình liên tiếp. Trong thực tế, cần phải có sự mồi ban đầu cho bánh và trục quay. 2 mm V a bV RTp −−= Sadi Carnot NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Le Chaterlier Gibbs François-Marie Raoult KHÁI NIỆM • Hệ (System) • Môi trường (Surrounding) • Không gian (Universe) Hệ Môi trường Các loại Hệ (Types of Systems) • Hệ mở - Open System • Hệ kín - Closed System • Hệ cô lập - Isolated System Mở Kín Cô lập 3KHÁI NIỆM ¾ Trạng thái (State) Hàm trạng thái ¾ Quá trình (Process) HÀM TRẠNG THÁI – HÀM QUÁ TRÌNH ? KHÁI NIỆM ¾ Cân bằng (Equilibrium) • Cân bằng tĩnh • Cân bằng động KHÁI NIỆM ¾ Các loại cân bằng • Cân bằng nhiệt (Thermal equilibrium) • Cân bằng cơ học (Mechanical equilibrium) • Cân bằng pha (Phase equilibrium) • Cân bằng hóa học (Chemical equilibrium) Hàm trạng thái và Phương trình trạng thái Trạng thái của 1 hệ được xác định bởi tập hợp các thông số như T, P, V, C Các thông số trạng thái ở mỗi trạng thái chỉ có 1 giá trị xác định và chỉ phụ thuộc vào trạng thái : gọi là hàm trạng thái c d T1, P1, V1, C1 T2, P2, V2, C2 • Khí lý tưởng • Phtrình KLT R = 0.0820578 L atm K-1 mol-1 = 8.31451 J K-1 mol-1 Phương trình trạng thái của khí lý tưởng V nRTp = Các hạt giống nhau có kích thước vô cùng nhỏ so với thể tích của khối khí và không tương tác với nhau • Khí thực • Phtrình trạng thái 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−−= V na nbV nRTp Phương trình trạng thái của khí thực a,b : hằng số ở trạng thái áp suất cao và nhiệt độ thấp, lực tương tác giữa các hạt trong khí (các phân tử hay nguyên tử) có ảnh hưởng đáng kể trong các tính chất của khí 4Phương trình trạng thái của khí thực Khí thực: CO2 2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−−= V na nbV nRTp • C-D-E: p = constant khi Vm giảm: chất lỏng và khí nằm trong cân bẳng (tại áp suất hơi) • A: Khí, E: Lỏng • Tại điểm tới hạn (Tc, pc, Vc) pha khí và pha lỏng nằm trong cân bằng • Pha lỏng không hình thành khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tới hạn (Tc) • T > Tc thì PV gần như không đổi nên khí coi như lý tưởng. KHÁI NIỆM Quá trình và chu trình • Quá trình • Chu trình (Cycle) State A State Bi j k l KHÁI NIỆM Quá trình (biến đổi) • Quá trình đẳng nhiệt • Quá trình đẳng áp • Quá trình đẳng tích • Quá trình đoạn nhiệt • Quá trình thuận nghịch • Quá trình không thuận nghịch Các dạng Quá trình State A State B KHÁI NIỆM • Quá trình thuận nghịch Dẫn hệ liên tiếp qua các trạng thái cân bằng Đặc điểm cơ bản của quá trình thuận nghịch là sau khi quá trình thực hiện ta có thể đưa hệ trở lại trạng thái đầu mà môi trường xung quanh không chịu 1 biến đổi nào (không nhận và không mất công) State A State Bi j k l KHÁI NIỆM • Quá trình thuận nghịch: Giãn nở thuận nghịch khí System P Hệ 1 2 PextP Giảm Pext P>Pext Cân bằng Cân bằng mới Hệ 2 1P Tăng Pext P<Pext Pext Pext Sự trao đổi năng lượng Năng lượng: Công Nhiệt Năng lượng của hệ bao gồm : động năng chuyển động tịnh tiến của hệ, thế năng tương tác của hệ trong trọng trường và năng lượng nội tại bên trong hệ gọi là nội năng. NĐH thường xét những hệ không chuyển động và không chịu tác động của trường ngoài, khi đó Ehệ = U (Nội năng) Hình thức truyền năng lượng có liên quan đến sự chuyển động định hướng của cả hệ Hình thức chuyển năng lượng từ hệ này sang hệ khác chỉ liên quan đến sự tăng cường độ chuyển động của các phân tử trong hệ nhận năng lượng 5Sự trao đổi năng lượng Trong NĐH, quy ước : ¾ Hệ nhận nhiệt Q > 0 ¾ Hệ phát nhiệt Q < 0 ¾ Hệ sinh công A > 0 (*) ¾ Hệ nhận công A < 0 CaCO3 CaO CO2 Heat Heat Melting Ice Công A Nhiệt Q (*): P. Atkin - Hệ sinh công A < 0 Sự trao đổi năng lượng – Nhiệt • Sự truyền nhiệt • Nguyên lý 0 của NĐH: TA=TB, TB=TC →TA=TC Nhiệt dung • Nhiệt dung của 1 hệ là tỉ số giữa lượng nhiệt hệ trao đổi với biến thiên tương ứng nhiệt độ của hệ, • Nhiệt dung có ý nghĩa là lượng nhiệt cần thiết để nâng hệ lên 1 Kenvin, • Nhiệt dung của 1 hệ không có giá trị xác định vì δQ là hàm quá trình nên C phụ thuộc vào cách tiến hành của quá trình dẫn nhiệt vào hệ; có giá trị xác định khi chỉ rõ điều kiện dẫn nhiệt vào hệ. δQ → dT ; C = dT Qδ Công giãn nở Pext System dV 1 2P Pext Á p su ất V1 V2 Thể tích ∫= = dVPA dVPdA ext ext dxFdA ext= VPA extΔ= Định nghiã Vật lý Nhiệt động học Hệ sinh công A > 0 Hệ thống thứ nguyên ¾ mét (m) - đơn vị chiều dài, ¾ kilôgam (kg) - đơn vị khối lượng, ¾ giây (s) - đơn vị thời gian, ¾ mole (mol) - đơn vị lượng chất ¾ độ Kelvin (K) - đơn vị nhiệt độ theo nhiệt động học, ¾ ampe - đơn vị cường độ dòng điện, ¾ canđêla (cd) - đơn vị độ sáng, 7 đơn vị cơ bản là: Hệ thống thứ nguyên Lực : Đơn vị là Niutơn (N). 1N = 1 kg.m.s−2 Áp suất : Đơn vị là N.m−2 hay pascal (Pa) Thể tích : Đơn vị là m3 Năng lượng : Đơn vị là Jun (J) 1J = 1N.m = 1 kg.m2.s−2 1 cal = 4,18 jun = 0,0413 l .atm = 413 cm3.atm 1 atmôtphe kĩ thuật (kí hiệu at) = 9,81.104 N.m−2 = 0,981 bar