Chuyên đề Hóa 10 Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs có đáp án
10 câu hỏi
Nếu một lọ nước hoa được mở, chúng ta sẽ ngửi được mùi thơm từ xa, do các phân tử của thành phần nước hoa khuếch tán vào không khí, đó là quá trình tự xảy ra. Ngược lại, để thu hồi các phân tử nước hoa đó vào trong lọ như trạng thái ban đầu thì không thể thực hiện được. Đó là quá trình không tự xảy ra. Các phản ứng hóa học cũng tương tự như vậy, có phản ứng tự xảy ra và có phản ứng không tự xảy ra. Các quá trình trong tự nhiên có xu hướng xảy ra theo chiều tăng độ mất trật tự (hỗn loạn) của các tiểu phân trong hệ, người ta gọi đó là quá trình tăng entropy. Entropy là gì? Entropy ảnh hưởng như thế nào đến chiều hướng diễn biến của phản ứng hóa học?
Entropy là đại lượng đặc trưng cho độ mất trật tự của một hệ ở một trạng thái và điều kiệu xác định. Entropy càng lớn hệ càng mất trật tự.
ΔrGT0 = ΔrHT0 - T.ΔrST0
ΔrGT0 < 0: phản ứng tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.
ΔrGT0 > 0: phản ứng không tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.
ΔrGT0 = 0: phản ứng đạt trạng thái cân bằng (phản ứng đồng thời xảy ra theo hai chiều ngược nhau với tốc độ như nhau).
Tại sao khi tăng nhiệt độ lại làm tăng entropy của hệ?
Khi tăng nhiệt độ, độ mất trật tự (hỗn loạn) của các tiểu phân trong hệ tăng.
⇒ Entropy của hệ tăng.
Khi chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng hay giảm? Giải thích.
Các phân tử chất ở trạng thái rắn, lỏng, khí có độ mất trật tự (hỗn loạn) tăng theo chiều:
Rắn < lỏng < khí.
Vì vậy chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng.
Quan sát bình đựng Br2(l) đang bay hơi (a) và bình đựng I2(s) đang thăng hoa (b) trong hình bên và cho biết các quá trình trên làm tăng hay giảm entropy? Giải thích.
Quá trình (a) bromine chuyển từ thể lỏng sang thể hơi ⇒ Độ hỗn loạn của các phân tử chất tăng ⇒ Entropy tăng.
Quá trình (b) iodine chuyên từthể rắn sang thể hơi ⇒ Độ hỗn loạn của các phân tử chất tăng ⇒ Entropy tăng.
Dựa vào số liệu Bảng 4.1, hãy tính biến thiên entropy chuẩn của các phản ứng sau:
a) SO3(g) → SO2(g) + O2(g)
và so sánh giá trị của phản ứng này với phản ứng ở ví dụ 1. Giải thích.
b) C(graphite, s) + O2(g) → CO2(g)
Giải thích tại sao giá trị này lại lớn hơn 0 không đáng kể.
ΔrS298o=∑S298o(sp)−∑S298o(cd)
ΔrS298o=12 × S298o(O2, g) + S298o(SO2, g) -S298o (SO3, g)
ΔrS298o=12 × 205,03 + 248,10 – 256,66 = 93,955 J/K > 0
⇒ Phản ứng phân hủy SO3 làm tăng độ mất trật tự của hệ.
Ở ví dụ 1, phản ứng tổng hợp SO3 có ΔrS298o = -93,95 J/K < 0
⇒ Phản ứng làm giảm độ mất trật tự của hệ.
Hòa tan vôi sống (CaO) vào nước, phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu ∆H của phản ứng.
Hòa tan vôi sống (CaO) vào nước là phản ứng tỏa nhiệt
∆H của phản ứng mang dấu âm hay ∆H < 0.
Khi cho mẩu nhỏ sodium (Na) vào chậu thủy tinh chứa nước, mẩu sodium tan, có bọt khí xuất hiện, làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu. Giải thích tại sao phản ứng này lại tự xảy ra một cách dễ dàng
Na(s) + H2O(l) → NaOH(aq) + H2(g)
Ta thấy phản ứng hóa học làm tăng số mol khí ⇒ ΔrST0 > 0.
Mặt khác phản ứng làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu nên ΔrHT0 < 0
⇒ ΔrGT0 = ΔrHT0 - T. ΔrST0 < 0
⇒ Phản ứng tự xảy ra một cách dễ dàng.
Quan sát hình dưới: Khi trộn nước và propanol (bên trái) thu được dung dịch (bên phải). Hãy cho biết quá trình đó sẽ làm tăng hay giảm entropy
Quá trình này làm tăng độ mất trật tự của hệ ⇒ Làm tăng entropy.
Em hãy dự đoán trong các phản ứng sau, phản ứng nào có ∆S > 0, ∆S < 0 và ∆S ≈ 0. Giải thích.
a) C(s) + CO2(g) → 2CO(g)
b) CO(g) + O2(g) → CO2(g)
c) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)
d) S(s) + O2(g) → SO2(g)
e) Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)
Lưu ý:
- Các phản ứng hóa học làm tăng số mol khí thường có biến thiên entropy dương (∆S > 0).
- Các phản ứng hóa học làm giảm số mol khí thường có biến thiên entropy âm (∆S < 0)
- Các phản ứng hóa học không làm thay đổi số mol khí hoặc phản ứng không có chất khí sẽ có biến thiên entropy nhỏ (∆S ≈ 0)
a) Phản ứng làm tăng số mol khí ⇒ ∆S > 0
b) Phản ứng làm giảm số mol khí ⇒ ∆S < 0
c) Phản ứng có số mol khí trước và sau phản ứng bằng nhau ⇒ ∆S ≈ 0
d) Phản ứng có số mol khí trước và sau phản ứng bằng nhau ⇒ ∆S ≈ 0
e) Phản ứng làm tăng số mol khí ⇒ ∆S > 0
Cho phản ứng hóa học:
CO2(g) → CO(g) + O2(g) và các dữ kiện:
Chất | O2(g) | CO2(g) | CO(g) |
ΔfH298o(kJ/mol) | 0 | -393,51 | -110,05 |
S298o(J/mol.K) | 205,03 | 213,69 | -197,50 |
a) Ở điều kiện chuẩn và 25oC phản ứng trên có tự xảy ra được không?
b) Nếu coi ΔrHovà ΔrSo không phụ thuộc vào nhiệt độ, hãy cho biết ở nhiệt độ nào phản ứng trên có thể tự xảy ra ở điều kiện chuẩn?
ΔrH298o = ΔfH298o(CO, g) + 12 × ΔfH298o(O2, g) - ΔfH298o(CO2, g)
ΔrH298o = -110,05 + 12× 0 – (–393,51) = 283,46 (kJ)
ΔrS298o= 12× S298o(O2, g) + S298o(CO, g) - S298o(CO2, g)
ΔrS298o = 12× 205,03 + (-197,50) - 213,69 = -308,675 J/K
ΔrG298o = ΔrH2980 - 298.ΔrS2980
ΔrG298o= 283,46.103 – 298. (-308,675) = 375445,15 J > 0
⇒ Phản ứng trên không tự xảy ra.
b) Để phản ứng trên tự xảy ra, cần có:
ΔrGT0 = ΔrHT0 - T. ΔrTT0 < 0
⇔ 283,46.103 – T. (-308,675) < 0
⇔ T > 918 K hay T > 645 oC