Giáo trình Chương I: Cấu tạo chất (8 tiết)

W (S: là hàm trạng thái đặc trưng cho tính chất của hệ)
Giả sử, trong điều kiện nhiệt độ, áp suất không đổi, hệ chuyển từ trạng thái có xác suất nhiệt động lực học W1 sang trạng thái có xác suất nhiệt động lực học W2 (W1 < W2).
S1 = RlnW1 
S2 = RlnW2
Biến thiên entropi 
Nếu W2 > W1 thì DS = (S2 –S1) > 0
Nếu W2 < W1 thì DS = (S2 –S1) < 0
2.3.2. Entropi chuẩn – Cách tính entropi của một phản ứng hóa học
Quy ước: Ở điều kiện chuẩn T = 298K, p = 1at, nồng độ các chất C = 1mol/lít thì chỉ số entropi của một chất gọi là entropi chuẩn S0.
Trong các phản ứng hóa học, biến thiên entropi được tính theo công thức:
DSpư = Sssản phẩm - Sschất phản ứng
Ví dụ 1: Tính biến thiên entropi của phản ứng:
 CaCO3(r) ® CaO(r) + CO2(k)
Biết S2980 22,16 9,5 51,06 cal/mol.K
DSpư0 = SCaO0 +- = 51,06 + 9,5 – 22,16 =38,4 cal/mol.K
Ví dụ 2: Tính biến thiên entropi của phản ứng:
 C(r) + CO2(k) ® 2CO(k)
Biết S2980 1,37 51,00 47,22 cal/mol.K
DSpư0 = 2SCO0 -- SC0 = 2.47,22 – 1,37 – 51,00 = 42,07 cal/mol.K
2.3.3. Thế đẳng áp, đẳng nhiệt. Chiều tự xảy ra của quá trình hóa học
Để xem xét một quá trình hóa học nào đó có thể xảy ra hay không, trong điều kiện đẳng áp đẳng nhiệt, người ta dùng một đại lượng gọi là thế đẳng áp đẳng nhiệt G (hay năng lượng tự do của hệ) và G = H – TS
Giả sử hệ chuyển từ trạng thái I có năng lượng tự do G1 sang trạng thái II có năng lượng tự do G2.
Biến thiên năng lượng tự do của hệ: 
DG = G2 – G1 = (H2-H1) – T(S2-S1)
DG = DH - TDS
Quá trình tự xảy ra khi DG < 0 và ngược lại.
Ví dụ: Vôi sống tự hòa tan trong nước, nhưng N2 không tự kết hợp với H2 để tạo thành NH3.
Trong thực tế thường xảy ra các trường hợp sau:
* DS = 0, tức là entropi của hệ không đổi Þ DG = DH
DH < 0 thì DG < 0 Þ quá trình tự xảy ra kèm theo tỏa nhiệt ra môi trường
* DH = 0, tức là entanpi của hệ không đổi Þ DG = -TDS
Þ Quá trình tự xảy ra khi DS > 0, tức là quá trình tự xảy ra theo chiều tăng mức độ hỗn độn.
* DH 0 Þ DG = (DH - TDS) < 0 Þ Phản ứng tỏa nhiệt và tăng mức độ hỗn độn. Phản ứng loại này xảy ra tại mọi nhiệt độ.
* DH > 0, DS 0 Þ Phản ứng thu nhiệt và giảm mức độ hỗn độn. Phản ứng loại này không tự xảy ra tại mọi nhiệt độ.
* DH 0, DS > 0 thì phản ứng chỉ có thể tự xảy ra khi ½DH½ > ½TDS½ hoặc khi ½DH½ < ½TDS½
Kết luận: Một quá trình chỉ có thể tự xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do của hệ hay khi DG < 0.
CHƯƠNG III. VẬN TỐC PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HÓA HỌC (4 TIẾT)
3.1. VẬN TỐC PHẢN ỨNG
3.1.1. Khái niệm cơ bản
3.1.1.1. Khái niệm về vận tốc phản ứng
Trong thực tế: có những phản ứng hóa học xảy ra rất nhanh: phản ứng nổ; phản ứng giữa các ion trong dung dịch, nhưng cũng có những phản ứng hóa học xảy ra rất chậm: phản ứng phân rã hạt nhân; phản ứng hình thành dầu mỏ, than đá ở trong vỏ quả đất
Để đặc trưng cho khả năng xảy ra nhanh hay chậm của các phản ứng hóa học, người ta đưa ra khái niệm vận tốc phản ứng.
Vận tốc phản ứng được đo bằng sự thay đổi về lượng của một trong các chất tham gia hay tạo thành trong một đơn vị thời gian.
Giả sử có phản ứng: A ® B + C được tiến hành ở nhiệt độ và thể tích không đổi.
Tại thời điểm t1 ® nồng độ của chất A là C1.
Tại thời điểm t2 ® nồng độ của chất A là C2.
Vận tốc trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian tử t1 đến t2 là:
Nếu Dt càng bé thì độ biến thiên DC càng bé. Đến một giới hạn nào đó, ta sẽ có vận tốc tức thời tại thời điểm t.
Tổng quát:
aA + bB ® mM + nN
3.1.1.2. Số va chạm và va chạm có hiệu quả
Để tìm hiểu chung một tiến trình hóa học, ta xét phản ứng đơn giản nhất:
H2 + Cl2 ® 2HCl
Để xảy ra phản ứng phải có sự va chạm giữa các phân tử khí. Va chạm giữa các phân tử khí không phải là va chạm đàn hồi đơn giản, mà là sự va chạm có sự thay đổi giữa các phân tử khí. Xác suất va chạm càng lớn, vận tốc phản ứng càng tăng và ngược lại. Tuy nhiên không phải mọi va chạm đều có hiệu quả, mà chỉ có những va chạm giữa clo và hidro với có sản phẩm. Người ta gọi đó là va chạm có hiệu quả. Những phân tử gây ra va chạm có hiệu quả gọi là phân tử hoạt động. Khi tổng số va chạm Z giữa các phân tử trong một đơn vị thời gian, tương ứng với một đơn vị thể tích càng lớn, vận tốc phản ứng càng tăng. Như vậy vận tốc phản ứng tỷ lệ với tổng số va chạm Z giữa các phân tử khí. Tuy nhiên sự va chạm giữa các phân tử khí để dẫn tới phản ứng hóa học không phải là va chạm đàn hồi đơn giản, mà là một tiến trình phức tạp nhằm thay đổi cấu trúc cũ (cấu trúc phân tử ban đầu) và hình thành cấu trúc mới (cấu trúc sản phẩm tạo thành). Từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy không phải mọi va chạm đều dẫn tới phản ứng hóa học mà chỉ một số ít va chạm có khả năng dẫn tới phản ứng hóa học, người ta gọi đó là va chạm có hiệu quả Z* (Z* < Z). Những phân tử gây ra va chạm có hiệu quả gọi là phân tử hoạt động. Như vậy bản chất của các phản ứng hóa học là sự va chạm giữa các phân tử. Tuy nhiên đây chỉ là điều kiện đầu tiên, không phải là điều kiện tiên quyết xảy ra phản ứng hóa học.
3.1.1.3. Cơ chế phản ứng
Trong quá trình nghiên cứu các phản ứng hóa học, cho thấy: có những phản ứng, trong đó sự chuyển chất phản ứng thành chất sản phẩm chỉ xảy ra theo một giai đoạn. Ví dụ:
NO + O3 ® NO2 + O2
Nhưng đa số phản ứng hóa học có quá trình xảy ra không đơn giản như vậy mà qua nhiều giai đoạn. Ví dụ:
Gồm các giai đoạn:
Như vậy phản ứng trên xảy ra qua nhiều giai đoạn khác nhau. Mỗi giai đoạn được gọi là một quá trình cơ bản.
Tóm lại: phản ứng hóa học trong đa số trường hợp là sự kế tiếp của nhiểu quá trình cơ bản; sản phẩm của quá trình cơ bản này là chất phản ứng của quá trình khác tiếp theo sau. Tập hợp các quá trình cơ bản xảy ra trong một phản ứng hóa học được gọi là cơ chế phản ứng.
3.1.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VẬN TỐC PHẢN ỨNG
3.1.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ
Ảnh hưởng của nồng độ đến vận tốc phản ứng tuân theo định luật tác dụng khối lượng do Gunbe và Oagơ phát biểu năm 1867.
“Tại một nhiệt độ nhất định, vận tốc của một phản ứng hóa học tỷ lệ với nồng độ các chất tham gia phản ứng với lũy thừa nhất định”
nA + mB ® n’C + m’D
Vận tốc phản ứng vpư = k[A]n[B]m
n, m: hệ số tỷ lượng của các chất trong phương trình phản ứng.
[i]: nồng độ của cấu tử i
k: hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào bản chất của các chất tham gia phản ứng và nhiệt độ.
Ví dụ: Cho phương trình phản ứng: O2(k) + 2SO2(k) D 2SO3(k)
Tại 8500C: hằng số tốc độ phản ứng k = 0,85; nồng độ ban đầu của SO2 và O2 lần lượt là 2 mol/lít và 0,5 mol/lít
Tính vận tốc phản ứng tại thời điểm ban đầu và vận tốc phản ứng khi nồng độ O2 là 0,2 mol/lít
Vận tốc phản ứng tại thời điểm ban đầu:
vpư = k[O2][SO2]2 = 0,85x0,5x22=1,7
Tại thời điểm nồng độ O2 còn lại là 0,2M 
Þ Nồng độ O2 đã phản ứng là 0,5-0,2 = 0,3M
Þ Nồng độ SO2 đã phản ứng là 2x0,3 = 0,6M
Þ Nồng độ SO2 còn lại là 2,0-0,6 = 1,4M
Þ Vận tốc phản ứng vpư = k[O2][SO2]2 = 0,85x0,2x1,42=0,3332
3.1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Ảnh hưởng của nhiệt độ tới vận tốc phản ứng tuân theo quy tắc kinh nghiệm của Van Hốp:
“Trong khoảng nhiệt độ không lớn, cứ tăng nhiệt độ lên 100C, vận tốc phản ứng tăng từ 2 ¸ 4 lần”. 
Thực chất khi tăng nhiệt độ thì hằng số tốc độ của phản ứng tăng, do đó vận tốc phản ứng tăng.
Giả sử tại nhiệt độ To, hằng số tốc độ phản ứng là ko, vận tốc phản ứng là vo
nhiệt độ To+10, hằng số tốc độ phản ứng là ko+10, vận tốc phản ứng là v1
Gọi số lần tăng vận tốc phản ứng khi tăng nhiệt độ phản ứng là g (hệ số nhiệt của phản ứng).
Nếu nhiệt độ phản ứng tăng lên n lần 100 thì: 
Ví dụ: Cho phản ứng N2 + 3H2 ® 2NH3
Tại nhiệt độ 398K, phản ứng kết thúc sau 1,35 phút
Tại nhiệt độ 448K, phản ứng kết thúc sau 3 giây
Tính hệ số nhiệt độ của phản ứng
Ta có: Vận tốc phản ứng tại 398K là: ; DC: độ biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian Dt1.
Vận tốc phản ứng tại 448K là: (DC: không đổi)
Ta có: 
3.1.2.3. Ảnh hưởng của chất xúc tác
a) Định nghĩa – Phân loại
* Định nghĩa
Ví dụ: 
Chất xúc tác là chất tham gia vào một giai đoạn phản ứng nhằm làm thay đổi vận tốc phản ứng, sau đó được phục hồi và tách khỏi sản phẩm mà vẫn giữ nguyên lượng và tính chất hóa học.
Chất xúc tác làm tăng vận tốc phản ứng, gọi là chất xúc tác dương.
Chất xúc tác làm giảm vận tốc phản ứng, gọi là chất xúc tác âm.
* Phân loại: Người ta chia chất xúc tác thành
+ Xúc tác đồng thể: Trong phản ứng hóa học, chất xúc tác nằm cùng pha với các chất tham gia phản ứng.
Xúc tác đồng thể có thể là: axit, bazơ, muối
Ví dụ: 
+ Xúc tác dị thể: Là những phản ứng hóa học trong đó chất tham gia phản ứng không nằm cùng pha với chất xúc tác. 
Xúc tác dị thể thường là chất rắn (kim loại chuyển tiếp hoặc oxit kim loại) và phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt chất xúc tác. 
Ví dụ: 
+ Xúc tác men: 
Ví dụ: 
Do các men trong cơ thể sinh vật, có hoạt tính cao. Men thường là các hợp chất protit cao phân tử mà tại đó có một số trung tâm có tác dụng xúc tác. Trong các trung tâm đó có các kim loại chuyển tiếp. Xúc tác men về bản chất là xúc tác dị thể.
b) Đặc điểm của chất xúc tác
Các chất xúc tác có tính chọn lọc rất cao (mỗi phản ứng chỉ được xúc tác bởi một số chất nhất định). Một chất xúc tác trong điều kiện nhất định chỉ có tác dụng xúc tác cho những phản ứng hóa học nhất định. Dựa vào điều này người ta có thể làm tăng vận tốc phản ứng của một trong các phản ứng song song cùng xảy ra.
Ví dụ: 
Chất xúc tác chỉ có tác dụng làm tăng vận tốc phản ứng của những phản ứng có DG 0 thì dùng bất kì chất xúc tác nào phản ứng cũng không xảy ra. 
c) Cơ chế tác dụng của chất xúc tác
Một phản ứng hóa học có thể đi theo nhiều hướng khác nhau. Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng Ea, hướng phản ứng đi theo con đường hình thành phức chất trung gian.
Ví dụ: H2(k) + I2(k) ® 2HI(k)
Khi không có chất xúc tác, năng lượng hoạt hóa Ea = 42kCal/mol
Dùng xúc tác Au, năng lượng hoạt hóa của phản ứng Ea = 24 kCal/mol
Dùng xúc tác Pt, năng lượng hoạt hóa của phản ứng Ea = 12 kCal/mol
3.2. CÂN BẰNG HÓA HỌC
3.2.1. Khái niệm về phản ứng một chiều và phản ứng thuận nghịch
* Phản ứng một chiều là phản ứng trong một điều kiện nh