Bài giảng Hóa đại cương - Phần 2: Các quy luật diễn ra của các quá trình hóa học - Chương 1: Nhiệt động lực học của các quá trình hóa học

HÓA ĐẠI CƯƠNG
PHẦN I. CẤU TẠO CHẤT
PHẦN II. CÁC QUY LUẬT DIỄN RA CỦA CÁC 
QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
PHẦN II
CÁC QUY LUẬT DIỄN RA CỦA CÁC 
QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
CHƯƠNG I. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CÁC 
QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
CHƯƠNG II. ĐỘNG HÓA HỌC
CHƯƠNG III. DUNG DỊCH
CHƯƠNG IV. ĐIỆN HÓA HỌC
CHƯƠNG I. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 
CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
II. NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC 
HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT
III. NGUYÊN LÝ II CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC 
HỌC VÀ CHIỀU DIỄN RA CỦA CÁC QUÁ 
TRÌNH HÓA HỌC
IV. CÂN BẰNG HÓA HỌC
I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. Khái niệm về nhiệt động lực học và 
nhiệt động hóa học
2. Một số khái niệm cần thiết
1. Khái niệm về nhiệt động lực học và nhiệt 
động hóa học
a. Nhiệt động lực học 
b. Nhiệt động hóa học
 Xác định năng lượng liên kết
 Dự đoán chiều hướng diễn ra của quá trình 
hóa học
 Hiệu suất của phản ứng
2. Một số khái niệm cần thiết
a. Hệ hóa học 
b. Pha
c. Trạng thái và quá trình
d. Các hàm nhiệt động
a. Hệ hóa học
 Hệ + Môi trường xung quanh = Vũ trụ
 Phân loại hệ:
Hệ dị thể Hệ động thể
Hệ đoạn nhiệt: Q = 0.
Hệ đẳng nhiệt: T = 0.
Hệ đẳng áp : P = 0.
Hệ đẳng tích : V = 0.
b. Pha
 Là tập hợp những phần đồng thể của hệ
 Giống nhau về thành phần hóa học và tính chất hóa lý.
 Được phân cách với các pha khác bởi bề mặt phân chia pha.
 Hệ 1 pha: hệ đồng thể
 Hệ nhiều pha: hệ dị thể
c. Trạng thái và quá trình
Trạng thái
Quá trình
Các thông số trạng thái
Quá trình
Quá trình bất thuận nghịch: Tất cả các quá trình tự diễn ra trong 
tự nhiên đều là bất thuận nghịch.
Quá trình thuận nghịch
 Các thông số trạng thái
 Định nghĩa: là các đại lượng vật lý và nhiệt động 
biểu diễn trạng thái của hệ
 Phân loại:
• Thông số khuyếch độ (dung độ) (có tính cộng): là các 
thông số phụ thuộc vào lượng chất: V, m, năng lượng...
• Thông số cường độ (đặc trưng cho hệ): là các thông số
không phụ thuộc vào lượng chất: T, p, d, C, thể tích 
riêng, thể tích mol  
d. Các hàm nhiệt động
 Hàm nhiệt động là các hàm số đặc trưng cho các trạng thái và
quá trình nhiệt động.
 Phân loại hàm nhiệt động
Hàm trạng thái: chỉ phụ thuộc vào các thông số trạng thái của 
hệ chứ không phụ thuộc vào cách biến đổi hệ: P, V, T, U...
Hàm quá trình: phụ thuộc cách biến đổi của hệ: A, Q...
II. NGUYÊN LÝ I CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC 
HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT
1. Nguyên lý I của nhiệt động lực học và các 
đại lượng nhiệt động
2. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và 
phương trình nhiệt hóa học
3. Định luật Hess và các hệ quả
4. Tính hiệu ứng nhiệt và năng lượng liên kết
1. Nguyên lý I và các đại lượng nhiệt động
a. Nguyên lý I của nhiệt động lực học
b. Các đại lượng nhiệt động
 Nội năng U
 Entanpi H
 Nhiệt dung C
Nội năng U
 Nội năng: dự trữ năng lượng của chất
U = E toàn phần – (động năng + thế năng).
 Đơn vị đo: J/mol, cal/mol
 Không thể xác định được U: U = U2 – U1
 Xác định U: Q = U + A = U + p V
Trong quá trình đẳng tích: V = 0
QV = U
Entanpi H
Q = U + p V
Trong quá trình đẳng áp: p = const U = U2 – U1
 V = V2 – V1
QP = (U2 – U1) + p(V2 – V1)
= (U2 + pV2) – (U1 + pV1)
= H2 – H1
QP = H
H = U + PV - entanpi - dự trữ E + khả năng sinh công tiềm ẩn của hệ
- hàm trạng thái
- Đơn vị đo: kJ/mol
 Nhiệt dung C
 Nhiệt dung: lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của chất lên 
thêm 100
 Nhiệt dung riêng - nhiệt dung của 1 mol chất
 Đơn vị đo: J/mol.K

dT
dQ
C
p
p dT
dQ
C VV 
Qp = H QV = U
Đối với các khí lý tưởng: Cp – CV = R
dT
Hd
Cp
dT
Ud
CV
2. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học 
và phương trình nhiệt hóa
a. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học
b. Phương trình nhiệt hóa
c. Nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy
d. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt 
độ
a. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học
 Hiệu ứng nhiệt: lượng nhiệt Q mà hệ thu vào/phát ra trong qúa 
trình hóa học
 Thông thường pư diễn ra trong điều kiện đẳng áp: Qp = H
 Hiệu ứng nhiệt Q = U + p V = U nếu V = 0
Trong các phản ứng chỉ có chất lỏng và chất rắn tham gia
Trong các phản ứng có chất khí:
p V = RT n
 n = 0 H = U
 n 0 H U
pV = nRT
b. Phương trình nhiệt hóa học
 Quy ước: Phản ứng thu nhiệt có H > 0
Phản ứng tỏa nhiệt có H < 0
→ Trong điều kiện bình thường, phản ứng tỏa nhiệt ( H < 0) là phản 
ứng có khả tự xảy ra 
Hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn:
Lượng chất: 1 mol
Áp suất: 1 atm Ký hiệu 
(Nhiệt độ: 250C = 298K)
 Phương trình nhhiệt hóa học là phương trình phản ứng hóa học 
thông thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt của phản ứng và trạng thái tập 
hợp của các chất
0
298H 
Ví dụ:
Zn(r) + 2HCl(dd) = ZnCl2(dd) + H2(k), = -152.6kJ/mol
½ H2(k) + ½ Cl2(k) = HCl(k) = -92,8kJ/mol
C(gr) + H2O(k) = CO(k) + H2(k), = + 131,3 kJ/mol
0
298H 
0
298H 
0
298H 
0
298H 
Chú ý: hiệu ứng nhiệt tỷ lệ với lượng chất phản ứng và sản phẩm
H2(k) + Cl2(k) = 2HCl(k) = - 185,6kJ/mol
c. Nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy
 Nhiệt tạo thành: hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol 
chất từ các đơn chất tương ứng bền 
Ký hiệu nhiệt tạo thành tiêu chuẩn: 
 của mọi đơn chất bền = 0
 Nhiệt đốt cháy: hiệu ứng nhiệt của phản ứng:
1mol HCHC + O2(k) → CO2(k) + H2O(l) + 
Ký hiệu nhiệt đốt cháy tiêu chuẩn
 Nhiệt tạo thành và nhiệt đốt cháy của các chất là đại lượng tra 
bảng
0
.298 dcH 
0
.298 ttH 
0
.298 ttH 
d. Sự phụ thuộc của hiệu ứng nhiệt vào nhiệt độ
• pt Kirchhoff
dTCHH
T
T
p 
2
1
21
 1221 TTCHH p 
3. Định luật Hess và các hệ quả
a. Định luật Hess:Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học chỉ phụ 
thuộc vào bản chất và trạng thái của các chất đầu và sản phẩm 
cuối chứ không phụ thuộc vào đường đi của quá trình, nghĩa là 
không phụ thuộc vào số lượng và đặc điểm của các chất giai 
đoạn trung gian.
→ có thể cộng hay trừ những phương trình nhiệt hóa như những 
phương trình đại số.
Ví dụ
2Al(r)+ 3/2O2(k) = Al2O3 (1) = -1676.0kJ/mol
S(r) + 3/2 O2(k) = SO3(k) (2) = -396,1kJ/mol
2Al(r) + 3S(r) + 6O2(k)= Al2(SO4)3 (r), (3) = -3442 kJ/mol
Al2O3 (r) + 3SO3(k) = Al2(SO4)3 (r), (4) = ?
(4) = (3) – [(1) + 3x(2)] →
1H 
2H 
3H 
4H 
)3( 2134 HHHH 
b. Hệ quả
 Hệ quả 1
 Hệ quả 2 
 Hệ quả 3 (định luật Laviosier La Plase)
 Ht + Hn = 0 → Ht = - Hn
  ttcdttsppu HHH
  dcspdccdpu HHH
4. Tính hiệu ứng nhiệt và năng lượng liênkết
a. Tính hiệu ứng nhiệt
 Ở 25oC
 Áp dụng định luật Hess
 Áp dụng các hệ quả
 Ở T 25oC: áp dụng phương trình Kirchhoff
b. Tính năng lượng liên kết
Ví dụ 1: Áp dụng định luật Hess
• C(gr) + O2(k) = CO2(k) (1), = -393.5kJ/mol
• CO(k) + ½O2(k) = CO2(k) (2), = -283.0kJ/mol
• (1) – (2): C(gr) + ½ O2(k) = CO(k)
= -393.5 + 283.0 = -110.5 kJ/mol
0
298H 
0
298H 
0
298H 
Ví dụ 2: Áp dụng các hệ quả
Phản ứng: CaCO3(r ) = CaO(r) + CO2(k)
(kJ/mol): -1206.9 -635.5 -393.5 kJ/mol
= (-635.5 – 393.5) – (-1206.9) = + 177.9 kJ/mol
tt
H 0298 
0
298 puH 
Ví dụ 3: Tính H ở điều kiện khác chuẩn: Áp dụng pt Kirchhoff
CO(k) + 1/2O2(k) = CO2(k) biết = -283.0 kJ 
Cp(cal/mol.K) 6.97 7.05 8.96 
Giải: = 8.96 – (6.97 + 7.05:2) = -1.535 cal/K = - 6.42 J/K
= + (398 – 298) = - 283.642 kJ
0
298ttH 
?398 H
pC 
0
398H 
0
298H pC 
b. Tính năng lượng liên kết.
Ví dụ: 2H(k) + O(k) = H2O(k), H
0 = -924.2kJ → 
kJE OH 1.462
2
2.924
III. NGUYÊN LÝ II VÀ CHIỀU DIỄN RA 
CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC
1. Đại lượng entropi
2. Thế đẳng áp - đẳng nhiệt và chiều diễn 
ra của phản ứng hóa học
3. Sự thay đổi thế đẳng áp và điều kiện 
diễn ra của các quá trình hóa học
1. Đại lượng entropi
a. Mức độ hỗn loạn và chiều hướng diễn ra của các 
quá trình hóa học
b. Entropi và xác suất nhiệt động học
c. Mối liên hệ giữa biến thiên entropi và hiệu ứng 
nhiệt của quá trình
d. Tính sự biến đổi entropi của các quá trình
1. Đại lượng entropi
• Quá trình khuyếch tán của các khí: tự diễn ra, H = 0
• Quá trình nóng chảy, bay hơi: tự diễn ra, H > 0
Nguyên lý I: quá trình tự diễn ra khi H < 0. Tuy nhiên:
a. Mức độ hỗn loạn và chiều hướng diễn ra của 
các quá trình hóa học
Qúa trình tự diễn ra có H = 0 hay H > 0: mức độ hỗn loạn của 
hệ tăng
A B A + B A + B
 N2O4 ⇌ 2NO2 H > 0 
 H = 0
 S = S2 – S1 ≈ Rln 
mức độ hỗn loạn 2
mức độ hỗn loạn 1
 Trong hệ cô lập, quá trình tự diễn ra thì S > 0
 Entropi là thước đo độ hỗn loạn của hệ
b. Entropy và xác suất nhiệt động học:
• Xác suất nhiệt động học của một hệ là số cách sắp xếp của các 
phân tử trong hệ. 
• Entropi là thước đo xác suất của trạng thái của hệ
• Biểu thức Boltzmann: 
 Định luật Nernst (nguyên lý III): Entropi của các nguyên chất 
dưới dạng tinh thể hoàn hảo ở nhiệt độ không tuyệt đối bằng 
không.
→ có thể xác định được entropi tuyệt đối của các chất ở bất kỳ 
nhiệt độ nào.
W
N
R
WKS lnln 
c. Mối liên hệ giữa biến thiên entropi và hiệu 
ứng nhiệt của quá trình
 Trong quá trình mà hệ thực hiện lượng nhiệt mà hệ phát ra hay 
thu vào được dùng để thay đổi entropi của hệ:
 Đơn vị đo: J/mol.K
 Trong hệ cô lập: Q = 0 nên S ≥ 0
 Entropi tiêu chuẩn:
Lượng chất: 1 mol
Nhiệt độ: 250C Ký hiệu S
Áp suất: 1atm
2
1
T
T T
dQ
S
0
298
d. Tính sự biến đổi entropi trong các quá trình
Qúa trình hóa học
Quá trình vật lý
Quá trình đẳng nhiệt
• Quá trình chuyển pha đẳng nhiệt thuận nghịch
• Quá trình dãn nở đẳng nhiệt
Quá trình không đẳng nhiệt
• Quá trình đẳng áp
• Quá trình đẳng tích
  )()()( cdTspTpuT SSS
T
Q
S 
1
2
1
2 lnln
p
p
R
V
V
RS 
1
2ln
T
T
CS p 
1
2ln
T
T
CS V 
Ví dụ
C(gr) + CO2(k) = 2CO(k) Tính: 
5.74 213.68 197.54 (J/mol.K)
33.44 291.76 248.71 (J/mol.K)
1500
0
298 , SS 
0
298S
0
1500S
KJ
COSCSCOSS
/66.175
]68.21374.5[54.1972
)]()([)(2 2
0
298
0
298
0
298
0
298
KJ
COSCSCOSS
/22.172 
]76.29144.33[71.2482 
)]()([)(2 21500150015001500
• Qtrình chuyển pha đẳng nhiệt thuận nghịch
  
constT
T
T T
dQ
S
2
1
T
Q
S 
Ví dụ:
)2
22,6008
)(2 lh
JQ
r OHOH  
ở T = 273.15K, p = 101.325kPa
)/(22
)(15,273
)/(22,60080
molKJ
K
molJ
T
H
S nc 
• Quá trình dãn nở đẳng nhiệt
• Ví dụ: Tính S khi trộn lẫn nA mol khí A với nB mol 
khí B trong điều kiện T, p = const
• Giải: Tổng thể tích hai khí: V = VA + VB
1
2
12 ln
W
W
RSSS 
1
2
1
2 lnln
p
p
R
V
V
RS 
BBAA
B
B
A
ABA xRnxRn
V
V
Rn
V
V
RnSSS lnlnlnln 
Vì: nA= xA..n và nB= xB.n, với n = nA + nB, 
nên: S = -nR(xAlnxA +xBlnxB )
•Quá trình đẳng áp
dTCdHQ pp 
  
)(
2
1
2
1
2
1
ln
TfC
T
T
p
T
T
p
T
T
pTdC
T
dT
C
T
dQ
S
1
2ln
T
T
CS p 
Ví dụ molKJOHS /89,69)( 2
0
298 molKJOHCp /24,75)( 2 
?)( 2
0
273 OHS
KmolJSSS
KmolJCSSS p
./3.6359.689.69
)./(59.6
273
298
ln
0
298273
0
298
0
273
0
273
0
298
0
298273
2. Thế đẳng áp – đẳng nhiệt và chiều diễn ra 
của phản ứng hóa học
a. Tác động của các yếu tố entanpi và entropi 
lên chiều hướng diễn ra của các quá trình 
hóa học
b. Thể đẳng áp – đẳng nhiệt
3. Sự thay đổi thế đẳng áp và điều kiện diễn 
ra của các quá trình hóa học
a. Điều kiện diễn ra của các quá trình hóa học
b. Tác dụng của các yếu tố entanpi và entropi 
đến chiều hướng diễn ra của các quá trình 
hoá học
c. Xác định G của các quá trình hóa học
a. Tác động của các yếu tố entanpi và 
entropi lên chiều diễn ra của các qt HH
Có 2 ytố tác động lên chiều diễn ra các qt: H, S
• Trong đk bình thường qt tự diễn ra khi H < 0
• Trong hệ cô lập, quá trình tự diễn ra khi S > 0.
Chúng tđộng đồng thời lên hệ, nhưng ngược nhau.
• H < 0: nguyên tử phân tử n độ hỗn 
loạn S < 0
• S > 0 khi hệ +E để phá vỡ các lk H > 0
 Chiều hướng của qt sẽ được qđịnh bởi yếu tố 
nào chiếm ưu thế hơn.
b. Thể đẳng áp – đẳng nhiệt
• Nglý I: Q = U +A A = p V + A’
• Nglý II, T = const:
• Đặt: G = H – TS G = H - T S 
• khi quá trình là thuận nghịch: A’max = - G
T
Q
S 
 1122
111222
'
'
'
UU 
TSHTSH
TSPVTSPV
STVPUA
AVPUST
Ghay
GGGA
'
12
'
A 
Thế đẳng áp tiêu chuẩn:
Lượng chất: 1 mol
Áp suất: 1 atm Ký hiệu 
Các chất ở dạng định hình bền
Đơn vị đo: kJ/mol
0
298G 
a. Điều kiện diễn ra của các qt hóa học
A’max = - G
• Qt sinh A’ (A’ > 0) khi xảy ra là qt tự xảy ra
• Qt phải tiêu tốn A’ (A’ < 0) mới xảy ra được là qt 
không tự xảy ra
 Chiều diễn ra của quá trình thuận nghịch:
• G < 0: qt tự xảy ra; pư xảy ra theo chiều thuận
• G > 0: qt không tự xảy ra; pư xảy ra theo chiều 
nghịch
• G = 0: quá trình đạt trạng thái cân bằng
b. Tdụng của các yếu tố entanpi và entropi 
đến chiều hướng diễn ra của các qt hóa học
 H S G Khả năng phản ứng
- + - Tự xảy ra ở mọi T
+ - + Không tự xảy ra ở mọi T
- - +/- Tự xảy ra ở T thấp
+ + +/- Tự xảy ra ở T cao
Khi T, p = const phản ứng sẽ tự xảy ra khi:
0 STHG
c. Xác định G của các quá trình hóa học
• Theo định luật Hess:
• Theo phương trình: G = H - T S
• Theo hằng số cân bằng: 
• Theo sức điện động của nguyên tố Ganvanic: 
  )()( cdTspTT GGG
pKRTG ln 
nFEG 
Ví dụ
CaCO3(r) = CaO(r) + CO2(k) ?
-1205.93 -634.94 -392.92
92.63 39.71 213.31
-1129 -604 -394.38
0
1500
0
298 , GG 
)/(0298 molkJH tt 
)./(0298 KmolJS
)/(0298 molkJG 
130.62kJ (-1129) - (-394.38)] [-604 
)()]()([ 3
0
2982
0
298
0
298
0
298
 CaCOGCOGCaOGG
 178070J 178.07kJ 
(-1205.93) -(-392.92)] [-634.94 
)(H)](H)(H[ H 3
0
2982
0
298
0
298
0
298
 CaCOCOCaO
60.39J/K1 92.63 -213.31] [39.71 
)()]()([S S 3
0
2982
0
298
0
298
0
298
 CaCOSCOSCaO
130273.78J 39.160298178070 
298H G 0298
0
298
0
298
 S
62.52kJ- J 62515- 
160.39 1500 -178070 
15001500H G 0298
0
298150015001500
 SHS