Chuyên đề Hóa 10 Bài 4 (Chân trời sáng tạo): Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Giải bài tập Chuyên đề Hóa 10 Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

A/ Câu hỏi đầu bài

Mở đầu trang 22 Chuyên đề Hóa học 10: 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?

Trả lời:

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.

${\Delta }_r{G}_T^0$ = ${\Delta }_r{H}_T^0$ - T. ${\Delta }_r{S}_T^0$

${\Delta }_r{G}_T^0$ < 0: phản ứng tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

${\Delta }_r{G}_T^0$ > 0: phản ứng không tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

${\Delta }_r{G}_T^0$ = 0: phản ứng đạt trạng thái cân bằng (phản ứng đồng thời xảy ra theo hai chiều ngược nhau với tốc độ như nhau).

B/ Câu hỏi giữa bài

1. Entropy

Hình thành kiến thức mới 1 trang 27 Chuyên đề Hóa học 10: Tại sao khi tăng nhiệt độ lại làm tăng entropy của hệ?

Trả lời:

Khi tăng nhiệt độ, độ mất trật tự (hỗn loạn) của các tiểu phân trong hệ tăng.

⇒ Entropy của hệ tăng.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 28 Chuyên đề Hóa học 10: Khi chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng hay giảm? Giải thích.

Trả lời:

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.

Luyện tập trang 28 Chuyên đề Hóa học 10: 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.

Trả lời:

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.

2. Biến thiên entropy trong phản ứng Hóa học

Luyện tập trang 29 Chuyên đề Hóa học 10: 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.

Trả lời:

⇒ Phản ứng phân hủy SO₃ làm tăng độ mất trật tự của hệ.

Ở ví dụ 1, phản ứng tổng hợp SO₃ có ${\Delta }_r{S}_{298}^o$ = -93,95 J/K < 0

⇒ Phản ứng làm giảm độ mất trật tự của hệ.

3. Biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Hình thành kiến thức mới 3 trang 29 Chuyên đề Hóa học 10: Hòa tan vôi sống (CaO) vào nước, phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu ∆H của phản ứng.

Trả lời:

Hòa tan vôi sống (CaO) vào nước là phản ứng tỏa nhiệt

∆H của phản ứng mang dấu âm hay ∆H < 0.

Vận dụng trang 31 Chuyên đề Hóa học 10: 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

Trả lời:

Na(s) + H₂O(l) → NaOH(aq) + $\frac{1}{2}$H₂(g)

Ta thấy phản ứng Hóa học làm tăng số mol khí ⇒ ${\Delta }_r{S}_T^0$ > 0.

Mặt khác phản ứng làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu nên ${\Delta }_r{H}_T^0$ < 0

⇒  ${\Delta }_r{G}_T^0$ = ${\Delta }_r{H}_T^0$ - T. ${\Delta }_r{S}_T^0$ < 0

⇒ Phản ứng tự xảy ra một cách dễ dàng.

Bài tập

Bài tập 1 trang 32 Chuyên đề Hóa học 10: 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

Trả lời:

Quá trình này làm tăng độ mất trật tự của hệ ⇒ Làm tăng entropy.

Bài tập 2 trang 32 Chuyên đề Hóa học 10: 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(g)

Trả lời:

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

Bài tập 3 trang 32 Chuyên đề Hóa học 10: Cho phản ứng Hóa 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 và 25^oC phản ứng trên có tự xảy ra được không?

b) Nếu coi ${\Delta }_r{H}^o$và ${\Delta }_r{S}^o$ 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?

Trả lời:

⇒ Phản ứng trên không tự xảy ra.

b) Để phản ứng trên tự xảy ra, cần có:

${\Delta }_r{G}_T^0$ = ${\Delta }_r{H}_T^0$ - T. ${\Delta }_r{S}_T^0$ < 0

⇔ 283,46.10³ – T. (-308,675) < 0

⇔ T > 918 K hay T > 645 ^oC

Xem thêm lời giải Chuyên đề Hóa học lớp 10 bộ sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 5: Sơ lược về phản ứng cháy và nổ

Bài 6: Điểm chớp cháy, nhiệt độ tự bốc cháy và nhiệt độ cháy

Bài 7: Hóa học về phản ứng cháy nổ

Bài 8: Vẽ cấu trúc phân tử

Bài 9: Thực hành thí nghiệm Hóa học ảo