Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 Cánh diều bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Câu hỏi khởi động

Hình 4.1 mô tả trật tự sắp xếp của các phân tử nước ở ba thể: rắn, lỏng và khí. Em hãy cho biết mức độ “mất trật tự” của hệ tăng hay giảm theo chiều từ nước đá tới hơi nước.

Hướng dẫn trả lời:

Quan sát hình 4.1 xác định được: Mức độ “mất trật tự” của hệ tăng theo chiều từ nước đá tới hơi nước.

I. Entropy

Câu hỏi 1: Khi đun nóng chảy tinh thể NaCl, độ mất trật tự của các ion tăng hay giảm? Tại sao?

Hướng dẫn trả lời:

Khi đun nóng chảy tinh thể NaCl, độ mất trật tự của các ion tăng vì muối ăn đã chuyển từ trạng thái tinh thể sang trạng thái lỏng.

1. Ý nghĩa của entropy

2. Tính biến thiên entropy của một phản ứng hoặc một quá trình

Câu hỏi 2: Tính biến thiên entropy chuẩn cho phản ứng đốt cháy 1 mol CH3OH(l) bằng O2(g), thu được CO2(g) và H2O(g)

Luyện tập 1: Tính $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ của các phản ứng sau:

a) 2Ca(s) + O2(g) → 2CaO(s)

b) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

c) NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s)

Luyện tập 2: Tại sao $S_{298}^{o}$ của quá trình (1) lại dương?

Hướng dẫn trả lời:

Câu hỏi 2: 

CH3OH(l) + $\frac{3}{2}$O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(CO2,g) + 2.$S_{298}^{o}$(H2O,g) -  $S_{298}^{o}$(CH3OH,l) -  $\frac{3}{2}S_{298}^{o}$(O2,g)  = 213,8 + 2.188,7 – 126,8 -  $\frac{3}{2}$.205,2 = 156,6 J/K

Luyện tập 1 

a) $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = 2$S_{298}^{o}$(CaO) - 2.$S_{298}^{o}$(Ca) -  $S_{298}^{o}$(O2,g) = 2.38,1 – 2.41,6 – 205,2 = -212,2 J/K

b) $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(CO2,g) + 2.$S_{298}^{o}$(H2O,g) -  $S_{298}^{o}$(CH4) -  2$S_{298}^{o}$(O2,g)   = 213,8 + 2.188,7 – 186,3 – 2. 205,2 = -5,5 J/K

c) $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$( NH4Cl(s)) - $S_{298}^{o}$ (NH3(g))  - $S_{298}^{o}$ (HCl(g)) = 94,6 – 192,8 – 186,9 = -285,1 J/K

Luyện tập 2 

Quá trình (1): H2O (l) → H2O (g)

Độ “mất trật tự” của phân tử hơi nước là lớn hơn các phân tử nước lỏng

⇒ Entropy của hơn nước (H2O(g)) lớn hơn entropy của nước lỏng (H2O(l))

⇒ $S_{298}^{o}$ của quá trình (1) dương.

II. Biến thiên năng lượng tự do Gibbs và khả năng xảy ra của phản ứng hóa học

Luyện tập 3: Tính $\Delta _{r}G_{298}^{o}$ của các phản ứng sau và cho biết ở điều kiện chuẩn các phản ứng có tự xảy ra hay không.

a) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)    $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = -184,6 kJ

b) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) $\Delta _{r}H_{298}^{o}$= -890,3 kJ

c) 2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s) $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = -510,9 kJ

Vận dụng 1: Từ giá trị $\Delta _{r}H_{T}^{o}$của phản ứng (2) ở nhiệt độ 298 K và 203 K, hãy cho biết ở nhiệt độ thấp hơn hay cao hơn thì phản ứng diễn ra thuận lợi hơn?

Vận dụng 2: Phản ứng (3) trong thực tế còn gọi là phản ứng gì?

Vận dụng 3: Mặc dù phản ứng (3) có thể xảy ra ở nhiệt độ 848oC, nhưng trong thực tế người ta thường nung nóng CaCO3 tới nhiệt độ 1 000oC. Giải thích vì sao?

Hướng dẫn trả lời:

Luyện tập 3:

a) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g)   

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K, Ta có:

Ta có: $\Delta _{r}S_{298}^{o}$  = 2$S_{298}^{o}$ (HCl(g)) - $S_{298}^{o}$(H2 (g)) - $S_{298}^{o}$(Cl2 (g)) = 2.186,9 - 130,7 - 223,1 = 20J/K

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$  - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$  = -184,6.103 – 298.20 = -190560 J < 0

Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng này tự xảy ra

b) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)

Ta có:

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$  = $S_{298}^{o}$ (CO2(g)) + 2. $S_{298}^{o}$ (H2O(g)) - $S_{298}^{o}$ (CH4(g))  - $S_{298}^{o}$ (O2(g)) = 213,8 + 2.188,7 – 186,3 – 2. 205,2 = -5,5 J/K

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: $\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$  - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = -890,3.103 – 298.(-5,5) = -888661 J < 0

Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng này tự xảy ra

c) 2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s)

Ta có:

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$ (Na2O2(s))  - 2. $S_{298}^{o}$ (Na(s)) - $S_{298}^{o}$(O2(g)) = 95,0 – 2.51,3 – 205,2 = -212,8 J/K

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: $\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$  - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = -510,9.103 – 298.(-212,8) = -447485,6 J < 0

Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng này tự xảy ra

Vận dụng 1 

Phản ứng (2): 2NO (g) + O2 (g) → 2NO (g)

Trong phản ứng (2), $\Delta _{r}G_{273}^{o}$ = - 79 050 J có giá trị âm hơn $\Delta _{r}G_{298}^{o}$  = -75 300 J vì thế ở nhiệt độ thấp hơn thì phản ứng diễn ra thuận lợi hơn

Vận dụng 2: Phản ứng (3) trong thực tế còn gọi là phản ứng nung vôi.

Vận dụng 3:

Mặc dù phản ứng (3) có thể xảy ra ở nhiệt độ 848oC, nhưng trong thực tế người ta thường nung nóng CaCO3 tới nhiệt độ 1 000oC vì ở nhiệt độ khoảng 1 000oC thì phản ứng xảy ra mãnh liệt làm tăng năng suất sản xuất vôi sống từ đá vôi.

Bài tập

Bài 1: Thả một vài tinh thể patassium dichromate K2Cr2O7 màu cam đỏ vào nước (Hình 4.3). Entropy của quá trình hòa tan này tăng hay giảm? Giải thích.

Bài 2: Hãy đánh giá khả năng tự xảy ra của phản ứng sau ở nhiệt độ chuẩn:

2Al(s) + 3H2O(l) → Al2O3(s) + 3H2(g)

Biết rằng: $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = - 818,3 kJ, $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ được tính theo số liệu cho trong Phụ lục 1. Từ kết quả này hãy đưa ra một số lí do giải thích cho việc vì sao các đồ vật bằng nhôm được sử dụng rất phổ biến.

Bài 3: Hãy xác định nhiệt độ sôi của CHCl3(l) ở 1 bar và so sánh với giá trị đo được từ thực nghiệm (61,2oC). Giả thiết biến thiên enthalpy và entropy của quá trình không thay đổi theo nhiệt độ.

Biết rằng:

Bài 4: ZnCO3(s) → ZnO(s) + CO2(g)

Ở điều kiện chuẩn, phản ứng có tự xảy ra tại các nhiệt độ sau hay không?

a) 25oC

b) 500oC.

Biết rằng: $\Delta _{f}H_{298}^{o}$ = 710 kJ, $\Delta _{f}S_{298}^{o}$ = 174,8 J K-1. Giả sử biến thiên enthalpy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Bài 5: Hãy xác định nhiệt độ thấp nhất để phản ứng nhiệt phân NaHCO3 dưới đây diễn ra: 

2NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g)

Biết rằng: $\Delta _{f}H_{298}^{o}$ = 9,16 kJ, $\Delta _{f}S_{298}^{o}$ được tính theo số liệu cho trong Phụ lục 1. Giả sử biến thiên enthapy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Bài 6*: Ở điều kiện thường (coi là 25oC, 1 bar), có tự xảy ra quá trình sắt bị biến đổi thành Fe2O3(s) (có trong thành phần gỉ sắt) được không?

Bài 7*: Để dự đoán khả năng tự xảy ra phản ứng cần sử dụng ∆rG0, ∆rH0 Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 1: Thả một vài tinh thể patassium dichromate K2Cr2O7 màu cam đỏ vào nước, tinh thể patassium dichromate (K2Cr2O7) tan trong nước ⇒ Độ mất trật tự của các ion trong tinh thể tăng ⇒ Entropy của quá trình hòa tan này tăng.

Bài 2:

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(Al2O3(s))+ 3.$ S_{298}^{o}$(H2(g)) - 2. $ S_{298}^{o}$(Al(s)) - 3. $ S_{298}^{o$(H2O(l)) = 50,9 + 3.130,7 – 2.28,3 – 3.70,0 = 176,4 J/K

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: $\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = -818,3.1000 – 298.176,4 = -870867,2 J < 0

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ rất âm ở điều kiện chuẩn vì thế phản ứng này tự xảy ra.

Các đồ vật bằng nhôm được sử dụng rất phổ biến vì Al phản ứng dễ dàng với H2O ở điều kiện chuẩn để tạo thành lớp màng oxide Al2O3 bền vững. Lớp màng này bảo vệ cho nhôm kim loại chống lại các tác động ăn mòn của môi trường.

Bài 3: 

CHCl3(l)  → CHCl3(g) 

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(CHCl3(g)) - $\Delta _{f}H_{298}^{o}$ (CHCl3(l)) = - 102,7 - (-134,1) = 31,4 kJ

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(CHCl3(g)) - $S_{298}^{o}$ (CHCl3(l)) = 295,7 - 201,7 = 94 J/K

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K, 1 bar

Ta có: $\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = 31,4.103 – 298.94 = 3388 J

Thực nghiệm T = 61,2 + 273 = 334,2 K

$\Delta _{r}G_{334,2}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{334,2}^{o}$ - 334,2. $\Delta _{r}S_{334,2}^{o}$ = 31,4.103 – 334,2.94 = -14,8 J

Thực nghiệm đo được giá trị $\Delta _{r}G_{334,2}^{o}$ âm hơn giá trị $\Delta _{r}G_{298}^{o}$.

Bài 4: 

a) Ở  25oC tức 298 K

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - 298. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = 710.103 – 298.174,8 = 657909,6 J > 0

⇒ Phản ứng không tự xảy ra ở 25oC.

b) Ở 500oC tức (500 + 273) K = 773 K

Do biến thiên enthalpy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - 773. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = 710.103 – 773.174,8 = 574879,6 > 0

⇒ Phản ứng không tự xảy ra ở 500oC

Bài 5:

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$ (Na2CO3(s)) + $S_{298}^{o}$(H2O(l)) + $S_{298}^{o}$(CO2(g)) - 2.$S_{298}^{o}$(NaHCO3(s))

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = 135,0 + 70,0 + 213,8 – 2.101,7 = 215,4 J K-1

Để phản ứng diễn ra cần có

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - T. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$  < 0

⇔ 9,16.103 – T.215,4 < 0

⇔ T > 42,53 K hay T > -230,47^oC

Bài 6*:  4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)

$\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = 2.Δ$\Delta _{f}H_{298}^{o}$ (Fe2O3(s)) - 3. $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(O2(g)) – 4. $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(Fe(s))

 = 2.(-824,2) – 3.0 – 4.0 = -1648,4 kJ

$\Delta _{r}S_{298}^{o}$= 2. $S_{298}^{o}$(Fe2O3(s)) - 3.$S_{298}^{o}$(O2(g)) – 4. $S_{298}^{o}$(Fe(s))  = 2.87,4 – 3.205,2 – 4.27,3 = -550 J K-1

$\Delta _{r}G_{298}^{o}$ = $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ - T. $\Delta _{r}S_{298}^{o}$  = -1648,4.103 – 298.(-550) = -1484500 J < 0

⇒ Ở điều kiện thường có thể tự xảy ra quá trình sắt bị biến đổi thành Fe₂O₃(s)

Bài 7*: Tại một nhiệt độ T: ∆_rG⁰ = ∆_rH⁰ - T∆S⁰

Biến thiên năng lượng tự do Gibbs, ∆_rG⁰ là tiêu chuẩn để đánh giá khả năng tự diễn biến của quá trình hoặc phản ứng hóa học ở nhiệt độ T và các yếu tố khác ở điều kiện chuẩn.

Vậy để dự đoán khả năng tự xảy ra phản ứng cần sử dụng ∆_rG⁰, ∆_rH⁰ .