Chương 2 Nhiệt động lực hóa học - Hóa Đại cương 2 | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoARcPSD|45316467 lOMoARcPSD|45316467 CHƯƠNG 2
1.Biến đổi tự xảy ra. Độ mất trật tự NGUYÊN LÝ II
của hệ. Khái niệm về Entropy (S).
2. Entropy và Nguyên lý II NĐLH.
NHIỆT ĐỘNG LỰC HÓA HỌC 3.Biến đổi entropy của phản ứng.
4. Hàm năng lượng tự do Gibbs (G). 1 lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra Xét hệ sau: (1) U1 (2) Zn + dd CuSO4 Cu + dd ZnSO4 X U2
Xét một số quá trình tự xảy ra ở nhiệt độ phòng: Dung dịch Ion hydrat hóa Tinh thể ion 2 lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra
Vi trạng thái (Microstate) và Entropy, S
Ví dụ: dự đoán các trạng thái tồn tại của 4 quả cầu khí trong 2 bình sau khi van được mở
4 và 0 = 2 microstates→
Độ trật tự cao giảm Entropy 3 và 1 = 8 microstates
Độ trật tự thấp → tăng Entropy 2 và 2 = 12 microstates Total microstates = 22 3 lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra Entropy, S
Quá trình hay phản ứng hóa học tự xảy ra là
biến đổi trong đó có sự tăng độ mất trật tự.
Entropy, S – thước đo độ mất trật tự của hệ. S = k.lnW
W (số vi trạng thái - multiplicity): số
cách sắp xếp của các microstate
của hệ tại một trạng thái nào đó. k:hằng số Boltzmann
k = R/NA = 1,38.10-23 J/K.mol lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra S = k.lnW Entropy, S
Ví dụ: Tính entropy của 1 mol chất tinh thể phân tử:
Nếu phân tử chỉ có một cách định hướng duy nhất: W = 1 S = 0
Nếu mỗi phân tử có thể định hướng theo 1 trong hai cách, thì đối với 1 mol chất (tức
6,02.1022 phân tử) sẽ có
cách sắp xếp khác nhau của các phân tử. Hay W 26,02.1022 S 1,38.10 23.ln 26,02.1022
S 1,38.6,02.10 1.ln 2 0,573J / mol.K 5 lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra Entropy, S Tự xảy ra
Độ mất trật tự tăng, S > 0 6 lOMoARcPSD|45316467
1. Biến đổi tự xảy ra Entropy, S
Quá trình hòa tan: H2O
Khi một hợp chất ion tan vào nước Ion hydrat hóa
sẽ có 2 quá trình xảy ra đồng thời:
Tinh thể bị phá vỡ entropy tăng
Các ion tác dụng với các phân tử Hợp chất ion
nước (hydrat hóa) entropy giảm
Thông thường, nếu một quá trình tăng entropy đi kèm một quá trình giảm
entropy thì quá trình tăng entropy sẽ trội hơn. 7 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến thiên Entropy (∆S) đo tính không thuận nghịch của quá trình trong hệ
cô lập và đặc trưng cho chiều diễn biến của quá trình.
Trong điều kiện hệ không trao đổi năng lượng (hệ cô lập): hệ có khuynh hướng chuyển
từ trạng thái có độ tự do thấp sang trạng thái có độ tự do cao hơn một cách tự nhiên.
Hệ cô lập (vũ trụ) = (hệ thống +
mtxq) Entropy là một hàm trạng thái
Biến thiên entropy phụ thuộc vào lượng nhiệt trao đổi và nhiệt độ của hệ
S > 0 : độ mất trật tự tăng
S < 0 : độ mất trật tự giảm 8 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến đổi thuận nghịch, đẳng nhiệt
qtn là năng lượng cung cấp
thuận nghịch cho hệ thống.
Ở T không đổi: biến thiên entropy tỉ qtn
lệ thuận với năng lượng cung
cấp vào hệ thống. S qtn 9 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến đổi thuận nghịch, đẳng nhiệt
Nhiệt độ càng cao độ mất trật tự càng lớn
Nếu hệ đang ở T cao thì độ
mất trật tự thay đổi ít hơn
so với hệ có T thấp khi nhận năng lượng (qtn)
Biến thiên entropy tỉ lệ nghịch với nhiệt độ q S tnT 10 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến đổi thuận nghịch, đẳng nhiệt + 11 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến thiên Entropy của quá trình thuận nghịch
Biến thiên entropy được định nghĩa từ biểu thức toán học (Clausius – 1851): ( 2) q q S tn hay dS (1) T T tn
S là hàm trạng thái, S không phụ thuộc vào đường đi, nhưng
thì phụ thuộc vào cách
thức tiến hành quá trình
khi biến đổi được tiến hành một cách thuận nghịch 12 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Biến thiên Entropy của quá trình thuận nghịch
Biến đổi chuyển pha:
Quá trình trao đổi nhiệt có thể trao đổi thuận nghịch
Ví dụ: hiện tượng tan chảy cũng như đóng rắn của nước đá 13
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Nguyên lý II của NĐLH
Trong quá trình thuận nghịch, entropy của vũ trụ không đổi ( Svũ trụ = 0).
Trong quá trình bất thuận nghịch, entropy của vũ trụ tăng lên: Svũ trụ =
Scuối – Sđầu Mỗi quá trình tự xảy ra đều làm tăng entropy của vũ trụ S = S + S > 0 vũ trụ hệ mtxq
Với một biến đổi được xác định từ trạng thái 1 2. Ta có: ( 2) q S S(2) S(1) (1) Ttn 14 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Nguyên lý II của NĐLH 15 lOMoARcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Entropy của quá trình chuyển pha và phản ứng
hóa học Chuyển pha: Sr < Sl < Sk
Phản ứng hóa học:
Quá trình kèm theo sự tăng số
phân tử khí tăng entropy
Quá trình kèm theo sự giảm số phân
tử khí entropy giảm
2NO (k) + O2 (k) 2NO2 (k) RcPSD|45316467
2. Entropy và nguyên lý II NĐLH
Entropy nhìn từ góc độ phân tử Tịnh tiến Dao động (làm thay đổi độ dài liên kết và góc tạo liên kết) Quay 17 lOMoARcPSD|45316467
3. Entropy mol chuẩn thức và biến thiên entropy của phản ứng
Entropy mol chuẩn thức _ S : entropy của 1 mol chất ở trạng thái chuẩn. Đơn vị: J/mol.K
Entropy mol chuẩn thức của đơn chất không bằng 0.
Entropy mol chuẩn thức phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, trạng thái của
hợp chất và dạng thù hình.
SCO2 (25oC , 1 at) > SCO2 (25oC , 3 at)
SHe (100oC , 1 at) > SHe (25oC , 1 at) SBr2 (l) < SBr2 (k) ;
SC (graphite) > SC (kim cương) 18 lOMoARcPSD|45316467
3. Entropy mol chuẩn thức và biến thiên entropy của phản ứng S o o o r < Sl < Sk 19 lOMoARcPSD|45316467
3. Entropy mol chuẩn thức và biến thiên entropy của phản ứng
Entropy của phản ứng
Xét phản ứng tổng quát: mA + nB pC + qD
So = (p.So(C) + q.So(D)) – (m.So(A) + n.So(B))
Sopứ = Sosản phẩm-Sotác chất 20