Tiểu luận Tìm hiểu về ứng dụng nhiệt trong phản ứng hóa học

1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA: MAY THỜI TRANG  TIỂU LUẬN MÔN: TÊN ĐỀ TÀI: GVHD: Nguyễn Văn Bời SVTH: Vũ Thị Phấn MSSV: 08894201 Lớp: ĐHTR2ATLT Tp Hồ Chí Minh tháng 04/ 2009 2PHẦN MỞ ĐẦU Trong xu thế hội nhập kinh tế quốc tế để có thể sánh kịp các cường quốc trên thế giới đòi hỏi chúng ta phải cố gắng trên tất cả mọi lĩnh vực như: kinh tế, chính trị, khoa học kỹ thuật… để làm được điều này không có con đường nào khác là con đường học tập, rèn luyện kỹ năng, trau dồi kiến thức từ khi còn là học sinh, sinh viên. Trong khi các môn học Xã hội giúp cung cấp những kiến thức xã hội cần thiết giúp chúng ta có đủ tự tin bước vào cuộc sống thì các môn học thuộc lĩnh vực Tự nhiên lại là “chìa khoá” giúp cho chúng ta mở được những cánh cửa “ thành công ” của cuộc sống. Chính những môn học này mới là nền tảng giúp chúng ta tiến gần tới những thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại và sử dụng những thành tựu đó vào công cuộc xây dựng một đất nước. Trong các môn Khoa Học Tự Nhiên thì Hoá học là một môn khoa học có vai trò rất quan trong vào sự thành công của khoa học công nghệ. Xét riêng trong nghành công nghệ May mặc thì Hoá học giúp chúng ta biết được tất cả những tính chất cần thiết của một loại vật liệu nào đó, góp phần to lớn vào sự thành công của nghành Dệt may Việt Nam. Chính vì tầm quan trọng và mong muốn được tìm hiểu, học hỏi cũng như chia sẻ những hiểu biết nhỏ bé của mình mà tôi chọn đề tài “Tìm hiểu về hiệu ứng nhiệt độ trong phản ứng hoá học”. Bằng những phương pháp thống kê, so sánh, phân tích tổng hợp từ những tài liệu quý báu mà tôi đã tìm được đã giúp tôi hiểu sâu sắc hơn về môn học này, đặc biệt là vấn đề về hiệu ứng nhiệt trong phản ứng hoá học. Để hiểu sâu sắc vấn đề này chúng ta cùng tìm hiểu ở phần nội dung. 3PHẦN NỘI DUNG I. Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học và phương trình nhiệt hoá học 1. Khái niệm về hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học Hiệu ứng nhiệt của quá trình hoá học là nhiệt lượng mà hệ thu vào hay phát ra trong các quá trình hoá học dung để thay đổi nội năng hay entanpi của hệ. Trong các quá trình hoá học phát nhiệt làm cho nội năng U và entanpy H của hệ giảm xuống tức là ∆U 0 và ∆H >0. Trong những phản ứng mà chất rắn và chất lỏng tham gia sự biến đổi thể tích là không đáng kể và nếu quá trình thực hiện ở áp suất bé có thể coi p∆U có giá trị rất nhỏ khi đó ∆H ≈ ∆U. nếu các phản ứng có chất khí tham gia thì giá trị ∆H và ∆U sẽ khác nhau. Trong trường hợp khí tham gia là lý tưởng: PV = nRT p∆V = ∆n. RT n là biến thiên số mol khí trong phản ứng ở nhiệt độ tuyệt đối T. R là hằng số khí R = 8,312at.lit / mol. độ ∆H = ∆U + ∆nRT Khi ∆n = 0 thì ∆H = ∆U ∆n ≠ 0 thì ∆H ≠ ∆U 2. Phương trình nhiệt hoá học Phương trình nhiệt hoá học là phương trình phản ứng hoá học bình thường có ghi kèm hiệu ứng nhiệt và trạng thái tập hợp của các chất tham gia và thu được sau phản ứng. Đa số các phản ứng sảy ra ở áp suất không thay đổi nên ta xét chủ yếu biến thiên ∆H. Theo quy ước của nhiệt động học phản ứng + Nếu Q > 0 (∆H < 0 ) : phản ứng tỏa nhiệt 4+ Nếu Q 0 ): phản ứng thu nhiệt. Các chất khác nhau thì nội năng hay entanpy cũng khác nhau, do đó có thể nói nội năng hay entanpy của các chất tham gia phản ứng khác với các chất thu được sau phản ứng. Hiệu ứng nhiệt ∆H của 1 phản ứng ở áp suất không đổi và một nhiệt độ xác định bằng tổng entanpy của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng entanpi của các chất tham gia phản ứng ∆H = ∑∆HSPpư - ∑∆Hchất đầu pư Trong nhiệt động học thì quy ứoc entanpi của đơn chất ở trạng thái tiêu chuẩn bằng 0 Đối với chất khí trạng thái tiêu chuẩn là trạng thái khí lý tưởng ở áp suất p = 1 atm Đối với chất lỏng và chất rắn trạng thái` tiêu chuẩn là trạng thái tinh khiết ở 2980K (tức 250C) và áp suất là 1atm. biến thiên entanpi tính đươc từ các chất ở điều kiện chuẩn là entanpi tiêu chuẩn, ký hiệu ∆H0298. 3. Một số các loại nhiệt thường gặp. a. Nhiệt tạo thành (sinh nhiệt) Nhiệt tạo thành là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành 1 mol chất từ các đơn chất ứng với trạng thái tự do bền nhất. Ví dụ: Nhiệt tạo thành của khí CO2 là hiệu ứng nhiệt của phản ứng: C(gr) + O2 = CO2(k) ∆H = -393,5 kJ/mol hiệu ứng nhiệt của pư kết hợp giữa H2 và O2 tạo thành nước: 2H2(k) + O2(k) = 2H2O(l) ∆H = -571,66 kJ/mol nhiệt tạo thành của nước lỏng từ các đơn chất là: -571,66 : 2 = -285,83 kJ (Xem nhiệt tạo thành của một số chất ở bảng 1) b. Nhiệt đốt cháy (thiêu nhiệt) 5Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất hữu cơ bằng oxi phân tử để tạo thành khí CO2, nước lỏng và một số sản phẩm khác Ví du: Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng nhiệt phân CaCO3 ở đktc: CaCO3(r) = CO2(k) + CaO(r) ∆H0298 kJ/mol: -1206,9 -635.5 -393,5 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng: ∆H0298 = (-635.5 -393,5) – (-1206,9) = -177,9 kJ/mol II. Định luật Hess và các hệ quả, ứng dụng của định luật Hess. 1. Định luật Hess (Hess là nhà bác học người Nga 1812- 1850) Hiệu ứng nhiệt chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc vào các trạng thái trung gian ví dụ: Điều chế khí CO2 từ hai cách cách 1: Đốt cháy trực tiếp C (than chì) thành CO2 C(than chì) + O2 = CO2(kh) ∆H Cách 2: Tiến hành qua 2 giai đoạn C(than chì) + ½ O2 = CO(kh) ∆H1 CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh) ∆H2 Nếu áp suất không đổi thì hiệu ứng nhiệt của hai cách tiến hành trên phải bằng nhau tức là: ∆H = ∆H1 + ∆H2 Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả thực tế đo được là: ∆H = -94,05 kcal/mol; ∆H1 = -26,42 kcal/mol; ∆H2 = -67,63 kcal/mol. Từ định luật Hess, ng ười ta rút ra một số hệ quả để tính hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hoá học. Hệ quả 1 6Hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng nghịch nhưng trái dấu ∆Hthuận = -∆Hnghịch Ví dụ: phản ứng tạo thành nước: H2(k) + ½ O2 ↔ H2O (h) ∆Hthuận = -57,80 kcal/mol ∆Hnghịch = 57,80 kcal/mol → ∆Hthuận = -∆Hnghịch 1.2. Hệ quả 2 Hiệu ứng nhiệt bằng tổng nhiệt tạo thành của các sản phẩm phản ứng trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất tham gia phản ứng. ∆Hpư = ∑∆Htt(sp) - ∑∆Htt(tc) 1.3 Hệ quả 3 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học bằng tổng nhiệt cháy của các chất tham gia phản ứng (chất đầu) trừ đi tổng nhiệt cháy của các chất tạo thành sau phản ứng (chất cuối) ∆Hpư = ∑∆Hđc(tc) - ∑∆Hđc(sp) Ví dụ: Tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy CH4: CH4(k) + 2O2(k) = CO2(k) + H2O ∆H = ? (4) CH4(k) = C(g) + 2H2(k) ∆H1 = 74,9 kJ/mol (1) C(gr) + O2(k) = CO2(k) ∆H2= -393.5 k J/mol (2) 2H2(k) + O2(k) = 2 H2O ∆H3 = -2285.8 kJ/mol (3) Ta thấy : (1) +(2) + (3) = (4) 2. Ứng dụng của định luật Hess a. Tính hiệu ứng nhiệt phản ứng 7Ví dụ: Tính nhiệt tạo thành CO2 từ cácbon và oxi O2 (3) C(gr) + ½ O2(k) = CO(k) ∆H = ? biết: (1) C(gr) + O2(k) = CO2(k) ∆H1 = -393,5 kJ/mol (2) CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh) ∆H2 = -283,0 kJ/mol Ta thấy :(1) – (2) = (3) nên ∆H = -393,5 + 283,0 = -110,5 kJ/mol b. Tính năng lượng liên kết năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết và được ký hiệu là E (kJ/mol hay kcal/mol) trường hợp phân tử có 2 nguyên t ử A - B A(k) + B(k) = AB(k) năng lượng liên kết A – B ký hiệu EA-B chính là sự biến đổi entanpi của phản ứng theo chiều thuận nghịch tức EA -B = - ∆H0298 Ví dụ: Tính năng lượng liên kết của O-H trong H2O biết: 2H2(k) + O2(k) = 2 H2O ∆H0298 = -924,2 kJ/mol Phân tử H2O có 2 liên kết O-H nên năng lượng mỗi liên kết là: EO-H = 924,2 : 2 = 462,1 kJ III. Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ Sự phụ thuộc của hiệu ứng vào nhiệt độ đã được Kirchhoff (nhà hoá học người Đức 1824- 1887) thiết lập ∆H2 = ∆H1 + ∫ ∆CpdT Nếu khoảng thay đổi nhiệt độ không quá lớn có thể coi ∆Cp không phụ thuộc vào nhiệt độ khi đó phương trình có dạng: ∆H2 = ∆H1 + ∆Cp(T2- T1) Ví dụ: 8Cho phản ứng: CO(kh) ) + ½ O2 = CO2(kh) Cho bi ết: ∆H0298 = -283 kJ/mol và nhiệt dung của phân tử đẳng áp Cp của các chất CO, O2, CO2 lần lượt bằng 6.97, 7.05, 8.96 cal/độ.mol. hãy tính ∆H ở 3980K Lời giải: Ta tính biến thiên ∆Cp của phản ứng: ∆Cp = 8.96 – 6.97 – 7.05/2 = 1.33 cal/mol = 6.48 J/mol ∆H398 = ∆H298 + ∆Cp(398 – 298) ∆H398 = -283.0 – 0.648 = -283.648 kJ/ mol Như vậy ở nhiệt độ cao ∆H chỉ tăng rất ít. Tìm hiểu về khoảng nhiệt tối ưu Khoảng nhiệt tối ưu được sử dụng với ý nghĩa tối đa hoá năng suất trong một thiết bị phản ứng cho trước. nhiệt độ tối ưu này cò thể là đẳng nhiệt hoặc thay đổi theo: thời gian cho bình khuấy hoạt động gián đoạn, theo chiều dài cho thiết bị phản ứng dạng ống hay từ bình này sang bình khác cho hệ bình khuấy mắc nối tiếp. Với các phản ứng không thuận nghịch, độ chuyển hoá tối đa có thể đạt được không chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong khi đó vận tốc phản ứng tăng theo nhiệt độ. Như vậy năng suất tối đa đạt được tại nhiệt độ cao nhất có thể được.nhiệt độ này bị giới hạn bởi các vật liệu chế tạo thiết bị và các phản ứng phụ nếu có. Với phản ứng thuận nghịch phát nhiệt sảy ra trong thiết bị phản ứng dạng ống. tăng nhiệt độ sẽ làm tăng vận tốc phản ứng thuận nhưng ngược lại nó làm giảm độ chuyển hoá tối đa có thể đạt được. như vậy tại những điểm gần đầu vào ở đó tác chất còn ở xa độ chuyển hoá cân bằng sẽ thuận lợi để dung nhiệt độ cao. tại những điểm gần đầu ra, điều kiện cân bằng gần đạt đến nên sử dụng nhiệt độ thấp để cho độ chuyển hoá cao hơn. Do đó trong trường hợp này quá trình được thực hiện với nhiệt độ thay đổi từ đầu vào đến đầu ra. Để xác định sự biến đổi nhiệt độ tối ưu từ đó cho năng suất cựu đại ta phải biết thành phần của nhập liệu và vận tốc phản ứng là hàm số theo nhiệt độ.từ những số liệu này vận tốc phản ứng theo cả nhiệt độ và độ chuyển hoá được tính và vẽ như Hình.1 và Hính.2 Đường ghạch đứt đoạn trên hình là đường vận tốc phản ứng cực đại tại mỗi độ chuyển hoá và nhiệt độ. bằng cách dung vận tốc phản ứng này tương ứng với mỗi độ chuyển hoá và lấy tích phân bằng đồ thị cho bình khuấy trộn hoạt động gián đoạn hoặc thiết bị phản 9ứng dạng ống hoặc bình khuấy mắc nối tiếp ta sẽ xác định được năng suất cực đại cho phản ứng thuận nghịch phát nhiệt. Ví dụ: Tính nhiệt phản ứng cho phản ứng tổng hợp ammoniac từ hydrogen và nitrogen ở 1500C theo a) kcal/ mol N2 phản ứng b) kJ/ mol N2 phản ứng Giải Phản ứng tổng hợp là: N2 + 3H2 → 2NH3 Trước hết tính nhiệt phản ứng tại nhiệt độ chuẩn TR = 250C = 298K từ nhiệt cấu tạo của các chất trong phản ứng