Chuyên đề Hóa 10 Bài 4 (Cánh diều): 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

Giải bài tập trang 28 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Mở đầu trang 28 Chuyên đề Hóa 10: 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.

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

Giải bài tập trang 29 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Câu hỏi 1 trang 29 Chuyên đề Hóa 10: Khi đun nóng chảy tinh thể NaCl, độ mất trật tự của các ion tăng hay giảm? Tại sao?

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 trang 29 Chuyên đề Hóa 10: Tính biến thiên entropy chuẩn cho phản ứng đốt cháy 1 mol CH₃OH(l) bằng O₂(g), thu được CO₂(g) và H₂O(g)

Trả lời:

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

∆_r$S_{298}^0$ =  $S_{298}^0$(CO₂(g)) + 2. $S_{298}^0$(H₂O(g)) - $S_{298}^0$(CH₃OH(l)) - $\frac{3}{2}$.$S_{298}^0$(O₂(g))

∆_r$S_{298}^0$ = 213,8 + 2.188,7 – 126,8 - $\frac{3}{2}$.205,2 = 156,6 J K^-1

Luyện tập 1 trang 29 Chuyên đề Hóa 10: Tính ${∆}_r{S}_{298}^0$ 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)

Trả lời:

a) ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 2. $S_{298}^0$( CaO(s)) - 2. $S_{298}^0$(Ca(s)) - $S_{298}^0$ (O₂(g))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 2.38,1 – 2.41,6 – 205,2 = -212,2 J K^-1

b) ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$ (CO₂(g)) + 2. $S_{298}^0$ (H₂O(g)) - $S_{298}^0$ (CH₄(g))  - 2. $S_{298}^0$ (O₂(g))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 213,8 + 2.188,7 – 186,3 – 2. 205,2 = -5,5 J K^-1

c) ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$( NH₄Cl(s)) - $S_{298}^0$ (NH₃(g))  - $S_{298}^0$ (HCl(g))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 94,6 – 192,8 – 186,9 = -285,1 J K^-1

Luyện tập 2 trang 29 Chuyên đề Hóa 10: Tại sao $S_{298}^0$ của quá trình (1) lại dương?

Trả lời:

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))

⇒ $S_{298}^0$ của quá trình (1) dương.

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

Giải bài tập trang 30 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Luyện tập 3 trang 30 Chuyên đề Hóa 10: Tính ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ 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)   

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = -184,6 kJ

b) CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = -890,3 kJ

c) 2Na(s) + O₂(g) → Na₂O₂(s)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = -510,9 kJ

Trả lời:

a) H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)   

Ta có:

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 298. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = -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:

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$ (CO₂(g)) + 2. $S_{298}^0$ (H₂O(g)) - $S_{298}^0$ (CH₄(g))  - 2. $S_{298}^0$ (O₂(g))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 213,8 + 2.188,7 – 186,3 – 2. 205,2 = -5,5 J K^-1

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 298. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = -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:

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$(Na₂O₂(s))  - 2. $S_{298}^0$ (Na(s)) - $S_{298}^0$(O₂(g))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 95,0 – 2.51,3 – 205,2 = -212,8 J K^-1

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 298. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = -510,9.10³ – 298.(-212,8) = -447485,6 J < 0

Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng này tự xảy ra

Giải bài tập trang 31 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Vận dụng 1 trang 31 Chuyên đề Hóa 10: Từ giá trị ${\Delta }_r{G}_T^0$ 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?

Trả lời:

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

Trong phản ứng (2), ${\Delta }_r{G}_{273}^0$= - 79 050 J có giá trị âm hơn ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = -75 300 J vì thế ở nhiệt độ thấp hơn thì phản ứng diễn ra thuận lợi hơn

Vận dụng 2 trang 31 Chuyên đề Hóa 10: Phản ứng (3) trong thực tế còn gọi là phản ứng gì?

Trả lời:

Phản ứng (3) trong thực tế còn gọi là phản ứng nung vôi.

Vận dụng 3 trang 31 Chuyên đề Hóa 10: Mặc dù phản ứng (3) có thể xảy ra ở nhiệt độ 848^oC, nhưng trong thực tế người ta thường nung nóng CaCO₃ tới nhiệt độ 1 000^oC. Giải thích vì sao?

Trả lời:

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

Bài tập

Giải bài tập trang 32 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Bài tập 1 trang 32 Chuyên đề Hóa 10: 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.

Trả lời:

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 tập 2 trang 32 Chuyên đề Hóa 10: 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: ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = - 818,3 kJ, ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ 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.

Trả lời:

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$(Al₂O₃(s)) + 3. $S_{298}^0$(H₂(g)) - 2. $S_{298}^0$(Al(s)) - 3. $S_{298}^0$(H₂O(l))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 50,9 + 3.130,7 – 2.28,3 – 3.70,0 = 176,4 J K^-1

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K

Ta có: ${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 298. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = -818,3.10³ – 298.176,4 = -870867,2 J < 0

${\Delta }_r{G}_{298}^0$ 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 tập 3 trang 32 Chuyên đề Hóa 10: Hãy xác định nhiệt độ sôi của CHCl₃(l) ở 1 bar và so sánh với giá trị đo được từ thực nghiệm (61,2^oC). Giả thiết biến thiên enthalpy và entropy của quá trình không thay đổi theo nhiệt độ.

Biết rằng:

	${\Delta }_f{H}_{298}^0$ (kJ mol-1)	$S_{298}^0$ (J mol-1K-1)
CHCl3(l)	-134,1	201,7
CHCl3(g)	-102,7	295,7

 Trả lời:

Ở điều kiện chuẩn T = 298 K, 1 bar

Ta có: $\Delta G_{298}^0$ = $\Delta H_{298}^0$ - 298. $\Delta S_{298}^0$ = 31,4.10³ – 298.94 = 3388 J

Thực nghiệm T = 61,2 + 273 = 334,2 K

$\Delta G_{334,2}^0$ = $\Delta H_{334,2}^0$ - 334,2. $\Delta S_{334,2}^0$ = 31,4.10³ – 334,2.94 = -14,8 J

Thực nghiệm đo được giá trị ${\Delta }_r{G}_{334,2}^0$ âm hơn giá trị ${\Delta }_r{G}_{298}^0$.

Giải bài tập trang 33 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

Bài tập 4 trang 33 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng:

ZnCO₃(s) → ZnO(s) + CO₂(g)

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

a) 25^oC

b) 500^oC.

Biết rằng: ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = 710 kJ, ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 174,8 J K^-1. Giải sử biến thiên enthalpy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.

Trả lời:

a) Ở  25^oC tức 298 K

${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 298. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 710.10³ – 298.174,8 = 657909,6 J > 0

⇒ Phản ứng không tự xảy ra ở 25^oC.

b) Ở 500^oC tức (500 + 273) K = 773 K

${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - 773. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 710.10³ – 773.174,8 = 574879,6 > 0

⇒ Phản ứng không tự xảy ra ở 500^oC

Bài tập 5 trang 33 Chuyên đề Hóa 10: 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: ${\Delta }_r{H}_{298}^0$= 9,16 kJ, ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ 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.

Trả lời:

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = $S_{298}^0$(Na₂CO₃(s)) + $S_{298}^0$(H₂O(l)) + $S_{298}^0$ (CO₂(g)) - 2.$S_{298}^0$(NaHCO₃(s))

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

Để phản ứng diễn ra cần có

${\Delta }_r{G}_T^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - T. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ < 0

⇔ 9,16.10³ – T.215,4 < 0

⇔ T > 42,53 K hay T > -230,47^oC

Bài tập 6* trang 33 Chuyên đề Hóa 10: Ở điều kiện thường (coi là 25^oC, 1 bar), có tự xảy ra quá trình sắt bị biến đổi thành Fe₂O₃(s) (có trong thành phần gỉ sắt) được không?

Trả lời:

4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s)

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = 2.${\Delta }_f{H}_{298}^0$(Fe₂O₃(s)) - 3. ${\Delta }_f{H}_{298}^0$(O₂(g)) – 4. ${\Delta }_f{H}_{298}^0$(Fe(s))

${\Delta }_r{H}_{298}^0$ = 2.(-824,2) – 3.0 – 4.0 = -1648,4 kJ

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 2. $S_{298}^0$(Fe₂O₃(s)) - 3.$S_{298}^0$(O₂(g)) – 4. $S_{298}^0$(Fe(s))

${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = 2.87,4 – 3.205,2 – 4.27,3 = -550 J K^-1

${\Delta }_r{G}_{298}^0$ = ${\Delta }_r{H}_{298}^0$ - T. ${\Delta }_r{S}_{298}^0$ = -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 tập 7* trang 33 Chuyên đề Hóa 10: Để dự đoán khả năng tự xảy ra phản ứng cần sử dụng ${\Delta }_r{H}_{}^0$ và ${\Delta }_r{G}_{}^0$. Giải thích.

Trả lời:

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 ${\Delta }_r{H}_{}^0$ và ${\Delta }_r{G}_{}^0$.

Xem thêm lời giải bài tập Chuyên đề Hóa lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác: 

Bài 1: Liên kết hóa học và hình học phân tử

Bài 2: Phản ứng hạt nhân

Bài 3: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Bài 5: Sơ lược về phản ứng cháy và nổ

Bài 6: Hóa học về phản ứng cháy và nổ