Giáo trình hóa lý 1 Nhiệt động học

GIÁO TRÌNH HÓA LÝ 1 NHIỆT ĐỘNG HỌC TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG HÓA LÝ???? ĐỐI TƯỢNG NC?? NHIỆM VỤ NC?? HÓA LÝ BAO HÀM Ý NGHĨA KHOA HỌC CHỨA ĐỰNG CÁC NỘI DUNG HỌC THUẬT CỦA HAI NGÀNH KHOA HỌC TỰ NHIÊN QUAN TRỌNG LÀ HÓA HỌC VÀ VẬT LÝ HÓA LÝ???? 1. LÀ KHOA HỌC ỨNG DỤNG (CHỈ THUẦN TÚY LÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ KHÁC NHAU ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC BÀI TOÁN HÓA HỌC. 2. LÀ KHOA HỌC TRUNG GIAN GIỮA BIÊN GIỚI CỦA VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC 3. LÀ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CÁC DẠNG CHUYỂN ĐỘNG HÓA LÝ CỦA VẬT CHẤT,….. HÓA LÝ???? SAU NHIỀU THÀNH TỰU KHOA HỌC như lý thuyết nguyên tử-phân tử, định luật bảo toàn năng lượng,định luật tuần hoàn các nguyên tố, lý thuyết cấu tạo,….Hóa lý khẳng định nội dung khoa học HÓA LÝ HÌNH THÀNH KHOẢNG GIỮA THẾ KỶ 19 VÀ ĐẦU THẾ KỶ 20. THUẬT NGỮ HÓA LÝ ĐẦU TIÊN ĐƯỢC GHI NHẬN TỪ CÔNG TRÌNH CỦA NHÀ KHOA HỌC ĐỨC H.KUNRATH (PHYSICO-CHEMICUM) NĂM 1599 HÓA LÝ???? HÓA LÝ LÀ MỘT MÔN KHOA HỌC TỔNG HỢP, LIÊN NGÀNH; NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ TƯƠNG HỔ GIỮA HAI DẠNG HÓA HỌC VÀ VẬT LÝ CỦA VẬT CHẤT, NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ VÀ SỰ PHỤ THUỘC GIỮA CÁC TÍNH CHẤT HÓA LÝ VỚI THÀNH PHẦN HÓA HỌC, VỚI CẤU TRÚC CỦA VẬT CHẤT, TRONG ĐÓ BAO GỒM CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ, TỐC ĐỘ CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC VÀ CÁC YẾU TỐ BÊN NGOÀI ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÁC QUÁ TRÌNH ĐÓ. HÓA LÝ 1.CẤU TẠO CHẤT (HÓA ĐẠI CƯƠNG) 2.NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC (HÓA LÝ 1) 3.ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC 4.ĐIỆN HÓA HỌC 5.HÓA KEO HÓA LÝ 2 CHƯƠNG TRÌNH CHƯƠNG 1. KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THẬT (8) CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ ÁP DỤNG (8) CHƯƠNG 3. NGUYÊN LÝ THỨ HAI VÀ THỨ BA NHIỆT ĐỘNG HỌC (4) CHƯƠNG 4. NĂNG LƯỢNG KHẢ DỤNG-NĂNG LƯỢNG TỰ DO (4) CHƯƠNG 5. DUNG DỊCH (8) CHƯƠNG 6. CÂN BẰNG HÓA HỌC (4) CHƯƠNG 7. QUI TẮC PHA (4) ÔN TẬP & BÀI TẬP (5) TÀI LiỆU THAM KHẢO 1. Peter Atkins, Julio de Paule, PHYSICAL CHEMISTRY, Eighth edition (2006), Oxford university press 2. Chu Phạm Ngọc Sơn, NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC CƠ BẢN, Tập 1&2, 2001, Nhà xuất bản ĐHKHTN 3. Trần Văn Nhân, Nguyễn Thạc Sửu, Nguyễn Văn Tuế, HÓA LÝ, Tập 1&2, 2007, Nhà xuất bản Giáo dục MỘT SỐ ÔN TẬP VỀ TOÁN HỌC 1. HÀM SỐ LIÊN TỤC 2. ĐẠO HÀM 3. ĐẠO HÀM RIÊNG PHẦN 4. VI PHÂN 5. TÍCH PHÂN Chương 1. KHÍ LÝ TƯỞNG VÀ KHÍ THẬT 1.1.KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1.1. Định luật thực nghiệm 1.1.2. Phương trình trạng thái khí lý tưởng 1.1.3. Áp suất riêng phần (hỗn hợp khí lý tưởng) 1.1.4. Phép xác định phân tử khối của khí và các chất dễ bay hơi 1.2.KHÍ THẬT 1.2.1.Độ lêch đối với khí lý tưởng 1.2.2.Phương trình trạng thái khí thật 1.2.3.Phương trình trạng thái thu gọn. Định luật trạng thái tương ứng 1.2.4.Hỗn hợp khí thật 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM 1. KHÍ LÝ TƯỞNG KHÍ LÝ TƯỞNG GỒM NHỮNG PHÂN TỬ KHÔNG KÍCH THƯỚC VÀ KHÔNG CÓ LỰC HÚT PHÂN TỬ GiỮA CÁC PHÂN TỬ KHÍ
KHÔNG HÓA LỎNG, KHÔNG HÓA RẮN KHÍ LÝ TƯỞNG LUÔN LUÔN NGHIỆM ĐÚNG NHỮNG ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM Ở BẤT KỲ ĐiỀU KiỆN THÍ NGHIỆM NÀO. 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM 1. KHÍ LÝ TƯỞNG 1.Định luật BOYLE MARIOTTE Ở nhiệt độ không đổi, thể tích V của một khối W khí xác định tỷ lệ nghịch với áp suất p. Vì W tỉ lệ thuận với số mol n 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM Đối với các khí thông thường, định luật BOYLE MARIOTTE ĐÚNG khi: *Áp suất thấp và nhiệt độ thường *Không có biến đổi hóa học khi áp suất thay đổi 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Với cùng một số mol n, đường biểu diễn p theo V là những hyperbol thay đổi theo nhiệt độ. Mỗi đường ứng với nhiệt độ nhất định gọi là ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM 2.Định luật CHARLES hay GAY-LUSSAC Dưới áp suất không đổi, thể tích V của một khối khí xác định là một hàm số bậc nhất theo nhiệt độ. 1. KHÍ LÝ TƯỞNG V= a+bt T (0K)=t(0C) +273,15 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM 273,15 VoV T= 1. KHÍ LÝ TƯỞNG 2.Định luật CHARLES hay GAY-LUSSAC Ở áp suất không đổi, thể tích V của một khối lượng W khí xác định tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM 3.Định luật AVOGADRO Ở cùng nhiệt độ, áp suất, những thể tích bằng nhau của khí cùng chứa một số phân tử V= K’’n với K’’= K’’(T,p) 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Một mol khí ở điều kiện 00C và 1atm có thể tích V=22,4lít 1.1.1.ĐỊNH LUẬT THỰC NGHIỆM BOYLE MARIOTTE KHÍ LÝ T không đổi 1. KHÍ LÝ TƯỞNG CHARLE GAY- LUSSAC AVOGADRO TƯỞNG KHÍ THẬT ở áp suất thấp có tác động như khí lý tưởng p không đổi273,15 VoV T= 1.1.2.PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG Đối với trạng thái khí, có 4 biến số để diễn đạt như V : Thể tích khí PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÀ MỘT PHUƠNG TRÌNH CHỈ SỰ LiỆN HỆ GiỮA THỂ TÍCH V, ÁP SUẤT p, NHIỆT ĐỘ T VÀ KHỐI LƯỢNG KHÍ (TỨC LÀ SỐ MOL n) 1. KHÍ LÝ TƯỞNG n : Số mol p: Áp suất T: Nhiệt độ Phương trình trạng thái : Trạng thái vật lý của một vật, tức là điều kiện vật lý của nó, được định nghĩa bởi tính chất vật lý. Như vậy hai chất có cùng một tính chất vật lý sẽ có cùng một trạng thái. 1.1.2.PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG *Phương trình trạng thái của khí lý tưởng Với R là hằng số khí lý tưởng R = 8,314 J. K-1mol-1 1. KHÍ LÝ TƯỞNG R= 1,987 cal. K-1mol-1 R= 0,082 l.atm. K-1mol-1 1cal= 4,184J 1l.atm= 101,3J 1.1.2.PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG *Phương trình trạng thái của khí lý tưởng RT Ở 00C (2730K) = 2271,1 J. mol-1 1. KHÍ LÝ TƯỞNG = 542,8 cal. mol-1 = 22,413 l.atm. mol-1 RT Ở 250C (2980K) = 2478,9 J. mol-1 = 592,48 cal. mol-1 = 22,464 l.atm. mol-1 1.1.2.PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÍ LÝ TƯỞNG *Phương trình trạng thái của khí lý tưởng 1. KHÍ LÝ TƯỞNG *TRONG TRƯỜNG HỢP CÓ 1 MOL KHÍ : n=1; mà c là nồng độ mol/l 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN 1. KHÍ LÝ TƯỞNG pi∑ pi∑ 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN Định luật Dalton Ở nhiệt độ xác định, áp suất toàn phần của một hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các cấu tử Hỗn hợp khí bao gồm nhiều khí KHÔNG có tác động hoá học với nhau 1. KHÍ LÝ TƯỞNG ip∑ của hỗn hợp. p toàn phần = Áp suất riêng phần của mỗi cấu tử của hỗn hợp có thể tích chung là V là áp suất mà cấu tử ấy khi đưng riêng một mình và cũng chiếm thể tích V cùng nhiệt độ ip∑ 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN Giả sử hỗn hợp có nAnB,nC mol khí và có cùng thể tích V, ta có 1. KHÍ LÝ TƯỞNG 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN Phân mol xi của cấu tử i trong hỗn hợp là i i i n x n = ∑ 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Bài toán: Một hỗn hợp khí A và B gồm 0,495g chất A có phân tử khối 66g và 0,182g B có phân tử khối 45,5g. Áp suất tổng quát là 76,2cmHg. Tính áp suất riêng phần của A và B? i ip x p= 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN Thành phần khí khô tính theo phần trăm trọng lượng là 1. KHÍ LÝ TƯỞNG N2:75,5; O2:23.2; Ar:1,3. Tính áp suất riêng phần của mỗi cấu tử khi áp suất tổng quát là 1atm? pi∑ pi∑ 1.1.3. ÁP SUẤT RIÊNG PHẦN 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Thành phần khí khô tính theo phần trăm trọng lượng là N2:75,52; O2:23.15; Ar:1,28 và CO2:0,046 Tính áp suất riêng phần của mỗi cấu tử khi áp suất tổng quát là 0.9atm? 1. KHÍ LÝ TƯỞNG 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Trong công nghiệp, nitơ được đốt nóng lên nhiệt độ 5000K trong một bình kín thể tích không đổi. Nếu khí nitơ đi vào bình có áp suất là 100atm và nhiệt độ 3000K .Tính áp suất tại nhiệt độ làm việc nếu khí nitơ tác động như khí lý tưởng? 1.1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI CỦA KHÍ HAY CHẤT DỄ BAY HƠI Khi ở áp suất thấp các chất khí có tác dụng gần giống như khí lý tưởng. Trong điều kiện này sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng để xác định ρ 1. KHÍ LÝ TƯỞNG phân tử khối của chất khí hay chất dễ bay hơi. 0p M p RT ρ →   =    Trong đó là khối lượng riêngρ 1.1.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI CỦA KHÍ HAY CHẤT DỄ BAY HƠI 0p M p RT ρ →   =    Trong đó là khối lượng riêng Cách thực hiện: ρ 1. KHÍ LÝ TƯỞNG Xác định ρ ở nhiều áp suất p, sau đó vẽ theo p và ngoại suy ra trị số tại p, để có trị số và từ đó suy ra M Áp dụng: 1.1.2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHÂN TỬ KHỐI CỦA KHÍ HAY CHẤT DỄ BAY HƠI 1. KHÍ LÝ TƯỞNG 1.2.1.ĐỘ LỆCH ĐỐI VỚI KHÍ LÝ TƯỞNG Phương trình trạng thái khí thật có thể suy ra từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng: Trong trường hợp khí thật, phép đo chính xác từ thực nghiệm chỉ rằng hệ thức pV=nRT không thể lúc nào cũng luôn luôn nghiệm đúng 1.2. KHÍ THẬT pV=nRTZ với Z=Z(T,p) Z là thừa số ép đo độ lệch đối với khí lý tưởng 1.2.1.ĐỘ LỆCH ĐỐI VỚI KHÍ LÝ TƯỞNG Z tùy thuộc p,T và thành phần của hỗn hợp (nếu ta có hỗn hợp khí) *Với khí lý tưởng Z (T,p) =1 1.2. KHÍ THẬT *Với khí thật lim Z(T,p) =1 khi p
0 Z càng khác 1, độ sai lệch của khí thật so với khí lý tưởng càng quan trọng. 1.2.1.ĐỘ LỆCH ĐỐI VỚI KHÍ LÝ TƯỞNG Hai nguyên nhân làm sai lệch Z so với 1 là : *KHÍ LÝ TƯỞNG, CÁC PHÂN TỬ KHÍ KHÔNG CÓ THỂ TÍCH, KHÔNG CÓ TƯƠNG TÁC VAN DER WALLS GiỮA CÁC PHÂN TỬ KHÍ
KHÔNG HÓA LỎNG 1.2. KHÍ THẬT ĐƯỢC. *VỚI KHÍ THẬT, PHÂN TỬ KHÍ CÓ THỂ TÍCH XÁC ĐỊNH VÀ GiỮA PHÂN TỬ KHÍ CÓ TƯƠNG TÁC VAN DER WALLS
HOÁ LỎNG ĐƯỢC 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Phương trình Van Der Walls 2. Hiệu chỉnh tương tác Van Der Wall 1.2. KHÍ THẬT Với n mol khí VV nV V n = → = 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI Giới hạn của phương trình Van Der Walls: Phương trình Van Der Walls áp dụng tương đối đúng với khí thật có độ lệch KHÔNG QUÁ QUAN TRỌNG đối với khí lý tưởng. Ở áp suất quá cao, nhiệt độ quá thấp, phương trình không chính xác nữa. 1.2. KHÍ THẬT Những khí một nguyên tử He, Ne, Ar và các khí hai nguyên tử đồng nhân nghiệm đúng phương trình Van Der Walls. Phương trình không áp dụng cho những chất phân cực như H2O, NH3 vì có tương tác liên phân tử khá quan trọng 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 1.2. KHÍ THẬT Một mol CO2 chiếm thể tích 1,32lít ở 480C và 18,4 atm. Tính áp suất của khí nếu giả sử : a)Khí có tác động lý tưởng b)Khí theo đúng phương trình Van Der Walls (cho biết R=0,0820 lit.atm.mol-1độ K-1) 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÁC 1.2. KHÍ THẬT 1.2.2. PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI KHÁC NHIỆT ĐỘ BOYLE: Là nhiệt độ đặc biệt cho mỗi chất khí. Ở nhiệt độ này, khí thật có tác động như khí lý tưởng trên một khoảng áp suất, miễn là các áp suất đó không quá lớn. 1.2. KHÍ THẬT Nhiệt độ BOYLE 1.2.2. HỖN HỢP KHÍ THẬT 1.2. KHÍ THẬT BÀI TẬP 1.Cho 15 lít neon trong bình chứa có thể tích không đổi 8,5 lít. Nếu nhiệt độ bình chứa là 270C, thì áp suất của khí là bao nhiêu? 2.Cho 22g khí chiếm thể tích 11,2 lít ở nhiệt độ và áp suất chuẩn. Khí đó là khí gì? 3.Cho một khí lý tưởng nạp đầy bình kín ở 270C và 1atm. Thể tích thay đổi như thế nào khi nâng nhiệt độ của bình lên 1270C? BÀI TẬP 4. Nhiệt độ của mẫu khí lý tưởng nạp trong bình chứa 2 lít tăng từ 270C lên 870C. Nếu áp suất ban đầu là 1200mmHg thì áp suất cuối của khí là bao nhiêu? 5. Một thể tích 125ml khí A đo ở 0,6atm và 150ml khí B dưới áp suất 0,8atm được cho vào bình cầu 500ml. Tính áp suất tổng quát ở cùng nhiệt độ?