Nhiệt hóa học và hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học

CHƯƠNG II NHIỆT HÓA HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC GV: ThS. Hoàng Minh Hảo TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Đức Chung (1997), Bài tập và trắc nghiệm Hóa Đại Cương, NXB Tp. HCM. 2. Nguyễn Đình Soa (1989), Hóa Đại Cương, NXB Tp. HCM. 3. Trần Văn Nhân (1998), Hóa lý, Tập 1, NXB Giáo Dục. 4. Trần Văn Nhân (1998), Hóa Lý, Tập 2, NXB Giáo Dục. 5. Paul B. Kelter (2002), Chemical Principles, Fourth Edition, New York. 6. Steven S. Zumdahl (2002), Chemical Principles, Fourth Edition, New York. CHƯƠNG II NHIỆT HÓA HỌC VÀ HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 2.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT HÓA HỌC ™Nhiệt động học: là khoa học về sự chuyển hóa tương hỗ của các dạng năng lượng khác nhau, bao gồm nhiệt động lý học, nhiệt động học kỹ thuật và nhiệt động hóa học. Nhiệt động học dựa trên các nguyên lý, được gọi là nguyên lý thứ nhất, nguyên lý thứ hai của nhiệt động học. ™Nhiệt động hóa học: nghiên cứu các qui luật về sự chuyển biến tương hỗ của hóa năng với các dạng năng lượng khác, về hiệu ứng nhiệt kèm theo các quá trình hóa học, về điều kiện bền vững của các hệ hóa học cũng như về những qui luật thay đổi của chúng để đạt đến trạng thái bền vững nhất của trạng thái cân bằng hóa học. ¾Trong nhiệt động hóa học, người ta chỉ xét trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ hóa học trong quá trình biến hóa của chúng. ™Các quá trình hóa học cũng là những quá trình chuyển động của vật chất kèm theo hiện tượng phát ra hay thu vào năng lượng trong các quá trình hóa học được gọi là hiệu ứng nhiệt. Lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các quá trình hóa học được gọi là nhiệt hóa học. 2.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA TRONG NHIỆT ĐỘNG HỌC-NHIỆT HÓA HỌC 2.2.1. HỆ HÓA HỌC Hệ nhiệt động: Là một vật thể hay nhóm vật thể được khảo sát bao gồm một số rất lớn các tiểu phân (phân tử, nguyên tử, ion, electron…). Tất cả những vật thể khác không thuộc về hệ được gọi là môi trường xung quanh hay môi trường ngoài. Hệ hóa học: Là trường hợp riêng của hệ nhiệt động học, trong đó có diễn ra các phản ứng hóa học. Hệ hóa học là lượng nhất định của một hay nhiều chất ở nhiệt độ, áp suất và nồng độ nhất định. Hệ đồng thể: Nếu trong toàn bộ thể tích của nó các tính chất đều giống nhau, nghĩa là không có bề mặt phân chia các phần của hệ ra thành những phần có tính chất khác nhau. Ví dụ: Dung dịch nước đường bão hòa Hệ dị thể: Nếu trong hệ có bề mặt phân chia các phần của hệ ra thành những phần có tính chất khác nhau. Ví dụ: Nước và dầu hỏa. Hệ cô lập: Là hệ không trao đổi chất và năng lượng với môi trường ngoài và có thể tích không đổi. Hệ kín: Là hệ không trao đổi chất nhưng có thể trao đổi năng lượng với môi trường ngoài, thể tích của hệ có thể thay đổi. Hệ mở: Là hệ vừa có khả năng trao đổi chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. 2.2.2. PHA Pha là phần đồng thể của hệ dị thể, có thành phần, cấu tạo tính chất nhất định và được phân chia với các phần khác bằng bề mặt phân chia nào đó. Ví dụ: hệ gồm nước đá và nước lỏng là hệ hai pha: Pha lỏng và pha rắn. ¾Như vậy hệ đồng thể là hệ một pha, hệ dị thể là hệ có nhiều pha. 2.2.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI CỦA HỆ ™Trạng thái nhiệt động: là trạng thái vĩ mô của một hệ được xác định bằng tập hợp tất cả các tính chất lý, hóa của nó như khối lượng, thể tích, áp suất, nhiệt độ… ™Các đại lượng: khối lượng, thể tích, áp suất, nhiệt độ… gọi là các thông số trạng thái. ™Nội năng (U), entanpi (H), thế đẳng áp (G) là các hàm trạng thái. ™Các thông số trạng thái và các hàm trạng thái đặc trưng cho trạng thái của hệ. 2.2.4. QUÁ TRÌNH HÓA HỌC ™Quá trình hóa học là tập hợp các giai đoạn biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. ¾Quá trình xảy ra ở áp suất không đổi gọi là quá trình đẳng áp (P=const). ¾Quá trình xảy ra ở thể tích không đổi gọi là quá trình đẳng tích (V=const). ¾Quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi gọi là quá trình đẳng nhiệt (T=const). ™Một quá trình trong đó hệ biến đổi qua nhiều giai đoạn trung gian rồi trở về trạng thái ban đầu gọi là quá trình kín hay chu trình. Ngược lại là quá trình hở. ™Sau một quá trình biến đổi, nếu hệ đạt đến trạng thái ổn định, không có xu hướng thay đổi nữa thì hệ được gọi là trạng thái cân bằng (TTCB). ™Nếu quá trình đi qua một loạt các TTCB hay các trạng thái chỉ sai lệch vô cùng nhỏ với TTCB thì quá trình gọi là quá trình cân bằng. ™Quá trình hóa học: là quá trình trong đó có xảy ra sự sắp xếp các lớp vỏ electron, phân bố lại các liên kết trong các chất tham gia vào quá trình. ™Các phản ứng hóa học: là những quá trình trong đó có sự thay đổi thành phần và cấu trúc của các hợp chất hóa học, đôi khi có kèm theo sự thay đổi trạng thái liên hợp của chất (rắn, lỏng, khí). ™Có 2 loại phản ứng hóa học: ¾Phản ứng trao đổi: Không thay đổi số oxi hóa của các chất phản ứng. AgNO3 + NaCl→ AgCl + NaNO3 ¾Phản ứng oxi hóa-khử: Thay đổi số oxi hóa của các chất phản ứng. Mg + CuSO4→MgSO4 + Cu ™Các quá trình chuyển pha: là những quá trình có sự thay đổi cấu trúc và trạng thái liên hợp của chất còn thành phần của chất vẫn không thay đổi. ¾Quá trình thăng hoa: Rắn (R) → Hơi (H) ¾Quá trình bay hơi: Lỏng (L) → Hơi ¾Quá trình nóng chảy: Rắn→ Lỏng ¾Quá trình ngưng tụ: Hơi→ Lỏng ¾Quá trình hóa rắn: Lỏng→ Rắn ¾Quá trình biến đổi thù hình: A(r, α) → A(r,β) ™Các quá trình hòa tan: Thông thường gồm hai quá trình chuyển pha và phản ứng hóa học giữa dung môi và chất tan. Ví dụ: NaCl(r) + H2O(l) → NaCl(dd) + H2O(dd). 2.2.5. CÁC ĐƠN VỊ QUỐC TẾ VỀ NĂNG LƯỢNG 2.3. ÁP DỤNG NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀO CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 2.3.1. NGUYÊN LÝ I NHIỆT ĐỘNG HỌC “Năng lượng không thể tự sinh ra và cũng không thể tự biến mất” “Trong một hệ cô lập, năng lượng chung luôn luôn được bảo toàn” ¾Theo nguyên lý I, đối với một quá trình bất kỳ, nếu ta cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì lượng nhiệt này làm biến đổi nội năng U của hệ và thực hiện công A Q = ∆U + A ∆U = U2-U1: là biến thiên nội năng khi hệ chuyển từ trạng thái 1(U1) sang trạng thái 2 (U2) 2.3.2. NỘI NĂNG-NHIỆT DUNG ™Nội năng: là tổng năng lượng dự trữ của hệ, trừ động năng và thế năng của hệ. U = Eq + Ett + Edđ +Eđ(e) + Ehn Eq và Ett: Năng lượng chuyển động quay và tịnh tiến của các phân tử Edđ: Năng lượng của các dao động nội phân tử, nguyên tử, nhóm nguyên tử. Eđ(e): Năng lượng chuyển động của các electron. Ehn: Năng lượng bên trong hạt nhân ™Nhiệt dung: là lượng nhiệt cần dùng để nâng nhiệt độ của hệ lên 10. ¾Nhiệt dung của một gam chất được gọi là nhiệt dung riêng. ¾Nhiệt dung của 1 mol chất được gọi là nhiệt dung phân tử (C). Nhiệt dung mol phân tử đẳng áp (Cp) và đẳng tích (Cv). Cp và Cv là các hàm trạng thái và phụ thuộc vào nhiệt độ. Cp = a0 + a1T + a2T2 + … a0, a1, a2… là các hằng số. 2.3.3. ENTANPI Q = ∆U + A Với A’: Công chống lại tất cả các lực, trừ áp suất bên ngoài. PdV: Công chống áp suất bên ngoài. Nếu hệ chỉ chịu tác dụng của áp suất bên ngoài thì A’=0. 1 2 ∫ PdVA = 1 2 ∫ PdVA=A’+ ™Nếu V = const thì A=0 Q = ∆U = U2-U1 = n. .∆TCP CP : Nhiệt dung riêng đẳng tích trung bình ∆T = T2-T1 ¾Như vậy, nhiệt năng mà hệ thu vào trong quá trình đẳng tích dùng để làm tăng nội năng của hệ. ™Nếu P = const thì: A = P(V2-V1) = P∆V và Q = ∆U + P∆V = U2 - U1 + PV2 – PV1 = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) Đặt H = U + PV thì: Q = H2 – H1 = ∆H = n. .∆T H: Entanpi: Đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ. ¾Như vậy, nhiệt năng mà hệ thu vào trong quá trình đẳng áp dùng để làm tăng entanpi. Cv 2.3.4. XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA QUÁ TRÌNH DỰA VÀO SỰ THAY ĐỔI NỘI NĂNG VÀ ENTANPI. Q = ∆U = Uc – Uđ (V, T=const) Q = ∆H = Hc – Hđ (P, T=const) 2.4. PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT HÓA HỌC Quá trình thu nhiệt: ∆H >0: 1/2N2(k) + O2(k) → NO2(k) ∆H = 8,09 (kcal/mol) Quá trình tỏa nhiệt: ∆H <0: H2(k) + 1/2O2(k) → H2O(l) ∆H = -68,371 (kcal/mol) ¾Phương trình hóa học có ghi hiệu ứng nhiệt được gọi là phương trình nhiệt hóa học. ™Hiệu ứng nhiệt tính với 1 mol chất, ở 250C (2980K), P = 1atm gọi là hiệu ứng nhiệt tiêu chuẩn, ký hiệu là ∆H0298 hay ∆H0. Ví dụ: H2(k) + Cl2(k) → 2HCl(k) ∆H = -44,4 (kcal) H2(k) + Cl2(k) → 2HCl(k) ∆H0 = -22,2 (kcal/mol) 2.5. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC “Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng tổng hợp của các hợp chất gọi là nhiệt tạo thành (hay 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 vững nhất”. Ký hiệu: (∆H0298)tt ¾Như vậy, nhiệt tạo thành của các đơn chất bền ở đktc là 0: graphit, Br2(l), Ptrắng… Ví dụ: As(r) + 3/2Cl2(k) → AsCl3(l) (∆H0298)tt(AsCl3) = -80,2 (kcal/mol) “Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng đốt cháy các hợp chất hữu cơ gọi là nhiệt đốt cháy (thiêu nhiệt). Nhiệt đốt cháy là hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy bằng oxi 1 mol hợp chất hữu cơ để tạo thành CO2, nước lỏng và một số sản phẩm khác”. Ví dụ: C2H6(k) + 7/2O2(k) → 2CO2(k) + 3H2O(l). (∆H0298)đc(C2H6) = -372,82 (kcal/mol) ™Hiệu ứng nhiệt của phản ứng ngược lại với phản ứng tổng hợp là phản ứng phân hủy, có giá trị bằng nhiệt tạo thành nhưng ngược dấu. Ví dụ: H2(k) + 1/2O2→ H2O(k) (∆H0298)tt = -57,80 (kcal/mol) Nhưng H2O(k) → H2(k) + 1/2O2(k) (∆H0298)ph = 57,80 (kcal/mol) ™Các đại lượng (∆H0298)tt và (∆H0298)đc của nhiều chất có trong sổ tay hóa học. 2.5.1. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN PHA I2(r) → I2(k) (∆H0298)th = 14,92 (kcal/mol) H2O(l) → H2O(k) (∆H0298)hh = 10,52 (kcal/mol) AlBr3(r) → AlBr3(l) (∆H0298)nc = 2,71 (kcal/mol) ™Các đại lượng nhiệt chuyển pha có trong sổ tay hóa học. 2.5.2. HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÒA TAN ™Hiệu ứng nhiệt của các quá trình hòa tan gọi là nhiệt hòa tan. NaOH(r) + (m+n)H2O(l) → Na+.mH2O(dd) + OH-.nH2O(dd); ∆H0298 = -10,20 (kcal/mol). 2.6. CÁC ĐỊNH LUẬT NHIỆT HÓA 2.6.1. ĐỊNH LUẬT LAVOISIER-LAPLACE 2.6.2. ĐỊNH LUẬT HESS “Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc bản chất, trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối, chứ không phụ thuộc vào số và đặc điểm của các giai đoạn trung gian” P1, V1, T1... P2, V2, T2... Qa, Aa Qb, Ab Qc, Ac (a) (b) (c) III ∆H(a) = ∆H(b) = ∆H(c) “Hiệu ứng nhiệt của quá trình hóa học chỉ phụ thuộc bản chất, trạng thái của các chất đầu và sản phẩm cuối, chứ không phụ thuộc vào số và đặc điểm của các giai đoạn trung gian” Ví dụ: Xét phản ứng Na(r) + 1/2H2(k) + 1/2O2→ NaOH(r) (*); ∆H0 = -102 (kcal/mol) Cách 1: ∆H0 = -102 (kcal/mol) là không đổi dù phản ứng được thực hiện bằng các cách khác nhau: Cách 2: • Cho Natri tác dụng với oxi: Na(r) + 1/2O2(k) → 1/2Na2O2(r) (I); ∆H1 = -60,3 (kcal) (2) Tạo nước từ oxi và hydro: 1/2H2(k) + 1/4O2(k) → 1/2H2O(l) (II); ∆H2 = -34,1 (kcal) (3) Cho Na2O2 tác dụng với nước: 1/2Na2O2(r) + 1/2H2O(l) → NaOH(r) + 1/4O2(k) (III); ∆H3 = -7,6 (kcal) Ta thấy: (*) = (I) + (II) + (III) Vậy: ∆H0 = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 = -60,3-43,1-7,6 = -102 (kcal/mol) ¾ Kết quả trực tiếp của định luật Hess có thể cộng hay trừ các phương trình nhiệt hóa học như cộng hay trừ các phương trình đại số. 2.6.3. CÁC HỆ QUẢ HỆ QUẢ 1: “Hiệu ứng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt tạo thành của sản phẩm trừ đi tổng nhiệt tạo thành của các chất đầu”. Xét phản ứng tổng quát: aA + bB +…→ cC + dD +… ∆Hpư = ∑(∆H)ttsp - ∑(∆H)ttcđ ∆Hpư= [c.(∆H)ttC + d.(∆H)ttD +…] - [a.(∆H)ttA + b.(∆H)ttB +…] HỆ QUẢ 2: “Hiệu ứng nhiệt của phản ứng bằng tổng nhiệt đốt cháy của chất đầu trừ đi nhiệt đốt cháy của sản phẩm”. ∆Hpư = ∑(∆H)đccđ - ∑(∆H)đcsp ∆Hpư = [a.(∆H)đcA + b.(∆H)đcB +…] - [c.(∆H)đcC + d.(∆H)đcD +…] A, B, C, D… là các chất hóa học a, b, c, d…là các hệ số tỷ lượng 2.7. XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC 2.7.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT 2.7.2.1. XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Ở ĐKTC a) Xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng hóa học Ví dụ 1: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng (1): C (gr) + ½ O2(k) → CO(k) (∆H0298)1 =? Biết: (2): C (gr) + O2(k) → CO2(k) (∆H0298)2 = -94,10 kcal. (3): CO(k) + 1/2O2(k) → CO2(k) (∆H0289)3 = -67,64kcal Ta thấy: (2) = (1) + (3) nên (∆H0298)2 = (∆H0298)1 + (∆H0298)3 →(∆H0298)1 = (∆H0298)2 - (∆H0298)3 = -94,10 –(-67,64) = -26,46 kcal Ví dụ 2: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng CaCO3(r) → CaO(r) + CO2(k) (∆H0298) =? Theo hệ quả 1: ∆H0298 = [(∆H0)tt(CaO,r) + (∆H0)tt(CO2,k)]- (∆H0)tt(CaCO3,r) = [-151,9 -94,1] - (-288,48) = 42,48 kcal Ví dụ 3: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng CH3COOH(l) + C2H5OH(l) ↔ CH3COOC2H5(l) + H2O(l) ∆H0 = ? Theo hệ quả 2: ∆H0 = [(∆H0)đc(CH3COOH,l) + (∆H0)đc(C2H5OH,l)] – (∆H0)đc(CH3COOC2H5,l) ∆H0 = [(-208,2+(-326,7)]- (-538,77) = 3,87 kcal b) Hiệu ứng nhiệt của quá trình chuyển pha Ví dụ 1: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng Cu2S(l) + O2(k) → 2Cu(l) + SO2(k) ∆H0 = ? ∆H0 = [2. (∆H0)tt(Cu,l) + (∆H0)tt(SO2,k)] – (∆H0)tt(Cu2S,l) Mà (∆H0)tt(Cu,l) = (∆H0)cp[Cu(r) → Cu(l)] ∆H0 = [2.3,1 + (-70,94)] – (-14,5) = -50,24 kcal Ví dụ 2: Xác định hiệu ứng nhiệt của phản ứng H2O(l) → H2O(k) ∆H0 = ? ∆H0 = (∆H0)tt(H2O,k) – (∆H0)tt(H2O,l) = (-50,80 – (-69,32) = 10,52 kcal c) Xác định hiệu ứng nhiệt của quá trình hòa tan Để xác định hiệu ứng nhiệt của các quá trình hòa tan, ngoài các đại lượng nhiệt tạo thành của các chất tan, còn cần biết thêm nhiệt tạo thành của các ion (∆H0)tt(H+.mH2O) = 0 Ví dụ: Tính nhiệt tạo thành ion hydroxyl (OH-.nH2O)? (1) H2(k) + 1/2O2(k) → H2O(l) (∆H0)1 = -68,32 kcal (2) H+.mH2O(l) + OH-.nH2O(l) → (m+n)H2O(l) + H2O(l) (∆H0)2 = -13,36 kcal Trừ (1) cho (2) ta được: H2(k) + 1/2O2(k) + (m+n)H2O(l) → H+.mH2O(l) + OH-.nH2O(l) (∆H0)3 = -54,96 kcal Vì (∆H0)(H+.mH2O) = 0 nên (∆H0)(OH-.nH2O) = -54,96 kcal Vậy: Nhiệt tạo thành các ion trong dung dịch là hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành chúng từ các đơn chất tự do và nước lỏng. 2.7.2.2. XÁC ĐỊNH HIỆU ỨNG NHIỆT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC Ở ĐIỀU KIỆN KHÁC TIÊU CHUẨN T1 T2 ∫∆H(T2) = ∆H(T1) + ∆CpdT Nếu T1 = 2980K thì ∆H(T2) = ∆H0298 + ∆Cp(T2-298) Với ∆Cp = ∑(Cp)sp - ∑(Cp)cđ 2.7.3. ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG NHIỆT ĐỂ XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HÓA HỌC, NĂNG LƯỢNG MẠNG TINH THỂ, NĂNG LƯỢNG HYDRAT HÓA ION 2.7.3.1. XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HÓA HỌC: Elk ™ Năng lượng liên kết hóa học là năng lượng được giải phóng ra khi tạo thành liên kết hóa học ™ Để xác định NLLK cần phải biết nhiệt tạo thành nguyên tử: Nhiệt tạo thành nguyên tử (∆H0ngt) là hiệu ứng nhiệt tạo thành 1 mol hợp chất ở trạng thái khí từ các nguyên tử cũng ở trạng thái khí. Ví dụ: 2N(k) → N2(k) ∆H0ngt = -226 kcal Cl(k) + H(k) → HCl(k) ∆H0ngt = -103,5 kcal a) Xác định nhiệt tạo thành nguyên tử: Để xác định nhiệt tạo thành nguyên tử cần biết nhiệt phân ly của đơn chất (∆Hpl), nhiệt thăng hoa (∆Hth), nhiệt tạo thành (∆Htt)… Ví dụ: Tính ∆H0ngt của HCl biết: 1/2H2(k) → H(k) 1/2(∆Hpl)(H2) = 52,10 kcal 1/2Cl2(k) → Cl(k) 1/2(∆Hpl)(Cl2) = 29,20 kcal 1/2H2(k) + 1/2Cl2(k) → HCl(k) (∆Hpl)tt(HCl) = -22,20 kcal Ta có thể hình dung quá trình hình thành HCl(k) như sau: 1/2H2(k) + 1/2Cl2(k) HCl(k) H(k) + Cl(k) 1/2(∆Hpl)(H2) 1/2(∆Hpl)(Cl2) (∆Hpl)tt(HCl) ∆ H 0 n g t ) ( H C l ) = ? Theo định luật Hess: (∆Hpl)tt(HCl) = 1/2(∆Hpl)(H2) + 1/2(∆Hpl)(Cl2) + (∆H0ngt)(HCl) Vậy: (∆H0ngt)(HCl) = (∆Hpl)tt(HCl) – [1/2(∆Hpl)(H2) + 1/2(∆Hpl)(Cl2)] = -22,2 – (52,1 + 29,2) = -103,5 kcal Chu trình trên (chu trình nhiệt hóa học) được gọi là chu trình Born- Haber. b) Xác định năng lượng liên kết Đối với phân tử 2 nguyên tử, nhiệt tạo thành nguyên tử chính là năng lượng liên kết. 2N(k) → N2(k) ∆H0ngt = -226 kcal = Elk(N-N) Cl(k) + H(k) → HCl(k) ∆H0ngt = -103 kcal = Elk(H-Cl) Đối với phân tử có 3 nguyên tử trở lên: Ví dụ 1: phân tử O3 O O O111 0 Elk = ∆H0ngt Số liên kết 3O(k) → O3(k) ∆H0ngt = -134,5 kcal Vậy: Elk(O-O) = ∆H0ngt /2= -134,5/2 = 67,3 kcal Ví dụ 2: 4H(k) + C(k) → CH4(k) ∆H0ngt = -398,0 kcal Vậy Elk(C-H) = ∆H0ngt/4 = -398,0/4 = -99,5 kcal 2.7.3.2. XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG MẠNG TINH THỂ: Emtt “Năng lượng mạng ion là năng lượng tạo thành dạng tinh thể của hợp chất từ các ion ở trạng thái khí”. Ví dụ: Na+(k) + Cl-(k) → NaCl(r) ∆H0mtt = ? Biết: Na(r) → Na(k) (∆H0th)(Na) = 26 kcal (∆H01) 1/2Cl2(k) → Cl(k) 1/2(∆H0pl)(Cl2) = 29,2 kcal (∆H02) Na(k) → Na+(k) + e (∆H0ion)(Na) = 120,0 kcal (∆H03) Cl(k) → Cl-(k) – e (∆H0al)(Cl) = -88,5 kcal (∆H04) Na(r) + 1/2Cl2(k) → NaCl(r) (∆H0tt)(NaCl,r) = -98,2 kcal NaCl(r) Ta lập được chu trình Born-Haber Na(r) + 1/2Cl2(k) (∆H0tt)(NaCl,r) Na(k) + Cl(k) ∆H01 + ∆H02 Na+(k) + Cl-(k)∆H 0 3 + ∆H04 ∆H0 = Em.ion (∆H0tt)(NaCl,r) = ∆H01 + ∆H02 + ∆H03 + ∆H04 + Em.ion →Em.ion = (∆H0tt)(NaCl,r) – [∆H01 + ∆H02 + ∆H03 + ∆H04] Em.ion = -184,9 kcal “Năng lượng mạng nguyên tử là năng lượng tạo thành dạng tinh thể của hợp chất từ các nguyện tử tự do”. Ví dụ: Si(k) + 2O(k) → SiO2(r) ∆H0 = Em.ngt = ? Biết: Si(r) → Si(k) (∆H0th)(Si) = 112 kcal = ∆H01 O2(k) → 2O(k) (∆H0pl)(O2) = 118,4 kcal = ∆H02 Si(r) + O2(k) → SiO2(r) (∆H0tt)(SiO2,r) = -217,5 kcal Ta lập được chu trình Born- Haber: Si(r) + O2(k) ∆H01+ ∆H02 (∆H0tt)(SiO2,r) (∆H0tt)(SiO2,r) = ∆H01+ ∆H02 + Em.ngt → Em.ngt = (∆H0tt)(SiO2,r) – (∆H01+ ∆H02) Em.ngt = -447,9 kcal SiO2(r) Si(k) + 2O(k) ∆ H 0 = E m . n g t = ? 2.7.3.3. XÁC ĐỊNH NĂNG LƯỢNG HYDRAT HÓA “Năng lượng hydrat hóa ion là năng lượng thoát ra khi chuyển 1 mol ion từ trạng thái khí vào dung dịch nước”. Ví dụ: Li+(k) + Cl-(k) + nH2O → Li+(dd) + Cl-(dd) ∆H0 = (∆H0hyd)(Li+) + (∆H0hyd)(Cl-) Biết: LiCl(r) → Li+(k) + Cl-(k) -Em.ion = (∆H0ion)(LiCl) = 205 kcal LiCl(r) + nH2O → Li+(dd) + Cl-(dd) (∆H0ht)(LiCl) = -8 kcal Ta lập chu trình Born-Haber LiCl(r) + nH2O (∆H0ht)(LiCl) Li+(k) + Cl-(k) + nH2O Li+(dd) + Cl-(dd) (∆H0ion)(LiCl) ( ∆ H 0 h y d ) ( L i+ ) + ( ∆ H 0 h y d ) ( C l- ) (∆H0hyd)(Li+) + (∆H0hyd)(Cl-) = (∆H0ht)(LiCl) - (∆H0ion)(LiCl) = -8 – (205) = -213 kcal