Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 CTST bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs
Dưới đây là phần hướng dẫn giải chi tiết cụ thể cho bộ chuyên đè học tập hoá học 10 Chân trời sáng tạo bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs. Lời giải đưa ra ngắn gọn, cụ thể sẽ giúp ích cho em các em học tập ôn luyên kiến thức tốt, hình thành cho học sinh phương pháp tự học, tư duy năng động sáng tạo. Kéo xuống để tham khảo
1. ENTROPY
Câu hỏi 1. Tại sao khi tăng nhiệt độ lại làm tăng entropy của hệ?
Câu hỏi 2. Khi chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng hay giảm? Giải thích.
Câu hỏi vận dụng: Quan sát bình đựng Br2 (l) đang bay hơi (a) và bình đựng l2 (s) đang thăng hoa (b) trong hình bên và cho biết các quá trình trên làm tăng hay giảm entropy?Giải thích.
Câu hỏi 1.
Khi tăng nhiệt độ thì các phân tử chuyển động hỗn loạn hơn, mức độ mất trật tự của hệ tăng lên làm tăng entropy của hệ.
Câu hỏi 2.
Chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng.
Giải thích: Khi chất chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và khí, liên kết giữa các hạt càng yếu, dao động của các hạt càng mạnh dẫn đến độ mất trật tự càng cao làm entropy của chất tăng.
Câu hỏi vạn dụng.
Các quá trình trong hình làm tăng entropy vì quá trình bay hơi của bromine hay quá trình thăng hoa của iodine làm các phân tử chất chuyển động hỗn loạn hơn, mức độ mất trật tự của hệ tăng nên entropy tăng.
2. BIẾN THIÊN ENTROPY TRONG PHẢN ỨNG HOÁ HỌC
Câu hỏi vận dụng:
Dựa vào số liệu Bảng 4.1, hãy tính biến thiên entropy chuẩn của các phản ứng sau:
a) SO3 (g) → SO2 (g) + $ \frac{1}{2}$ O2 (g) và so sánh giá trị $ \Delta _{r}S_{298}^{o}$ 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.
Hướng dẫn trả lời:
a) $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(SO2,g) + $\frac{1}{2}S_{298}^{o}$(O2,g) - $S_{298}^{o}$(SO3,g) =248,1 + $\frac{1}{2}$.205,03 - 256,66 = 93,95 J/K
Nhận xét: Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng này bằng biến thiên entropy chuẩn của ví dụ 1 nhưng ngược dấu. Giải thích : phản ứng này xảy ra làm số phân tử khí tăng lên, chuyển động các phân tử hỗn loạn hơn, nên entropy của hệ tăng.
b) $\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(CO2,g) - $S_{298}^{o}$(C graphite,s) - $S_{298}^{o}$(O2,g) = 213,7 - 5,69 - 205,03 = 2,98 J/K
Nhận xét: Giá trị này lớn hơn 0 không đáng kể vì khi 1 mol C (graphite, s) phản ứng với 1 mol O2 (g) sinh ra 1 mol CO2 (g) thì mức độ hỗn loạn các phân tử không tăng lên đáng kể, số mol khí trước và sau phản ứng bằng nhau.
3. BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG TỰ DO GIBBS
Câu hỏi 3. Hoà tan vôi sống (CaO) vào nước, phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu ∆H của phản ứng.
Câu hỏi vận dụng: Khi cho mẩu nhỏ sodium (Na) vào chậu thuỷ 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.
Câu hỏi 3: Hoà tan vôi sống (CaO) vào nước thì phản ứng toả nhiệt (∆H < 0).
Câu hỏi vận dụng:
Phản ứng làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu, do đó ∆H < 0 (toả nhiệt) (1)
Sodium tan, bọt khí xuất hiện, do đó AS > 0 (mức độ hỗn loạn của hệ tăng) (2)
Từ (1) và (2) nhận thấy giá trị ∆G = ∆H - T∆S < 0 nên phản ứng tự xảy ra một cách dễ dàng.
BÀI TẬP
1. 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.
2. 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) + $\frac{1}{2}$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
3. Cho phản ứng hoá học : CO2(g) → CO (g) + $\frac{1}{2}$O2 (g) và các dữ kiện:
| Chất | O2 (g) | CO2 (g) | CO (g) |
| $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(kJ/ mol) | 0 | -393,51 | -110,05 |
| $S_{298}^{o}$(J/mol.K) | 205,03 | 213,69 | -197,50 |
a) Ở điều kiện chuẩn phản ứng trên có tự xảy ra được không?
b) Nếu coi ∆rH° và ∆rS° 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?
1. Quá trình trộn nước và propanol làm tăng entropy của hệ.
2. a) ∆S > 0 ; b) ∆S < 0 ; c) ∆S ≈ 0 ; d) ∆S ≈ 0; e) ∆S > 0 ;
3. a) $\Delta _{r}H_{298}^{o}$ = $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(CO, g) + $\frac{1}{2}\Delta _{f}H_{298}^{o}$(O2, g) - $\Delta _{f}H_{298}^{o}$(CO2, g)
= -110,05 + $\frac{1}{2}$. 0 - (- 393,51) = 283,46 kJ
$\Delta _{r}S_{298}^{o}$ = $S_{298}^{o}$(CO, g) + $\frac{1}{2}S_{298}^{o}$(O2, g) - $S_{298}^{o}$(CO2, g) = -308,675 J/K
Vậy ∆rG = $\Delta _{r}H_{T}^{o}$ - T.$\Delta _{r}S_{T}^{o}$ = 283,01 - 298 × (-308,675.$10^{-3}$) = 375 kJ > 0
Phản ứng không tự xảy ra ở 298 K.
b) Muốn phản ứng xảy ra: ∆rG = $\Delta _{r}H_{T}^{o}$ - T.$\Delta _{r}S_{T}^{o}$ < 0
⇒283,46 - T.(-308,675.$10^{-3}$) < 0⇒T > -918,31 (K)