4. Bài 4. Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Dựa vào đại lượng nào để dự đoán phản ứng hóa học có thể xảy ra được hay không?

Lời giải chi tiết:

- Khi xét quá trình hóa học có tự xảy ra hay không phải xét đồng thời cả biến thiên enthalpy và biến thiên entropy, thông qua biến thiên năng lượng Gibbs (∆G) (ở nhiệt độ và áp suất không đổi)

   + ∆_rG^o_T < 0 phản ứng sẽ tự xảy ra, giá trị ∆_rG^o_T càng âm, phản ứng càng dễ xảy ra

   + ∆_rG^o_T = 0 phản ứng đạt trạng thái cân bằng

   + ∆_rG^o_T > 0 phản ứng không tự xảy ra

1. Dãy nào dưới đây các chất sắp xếp theo chiều tăng giá trị entropy chuẩn?

A. CO₂(s) < CO₂(l) < CO₂(g).

B. CO₂(g) < CO₂(l) < CO₂(s).

C. CO₂(s) < CO₂(g) < CO₂(l).

D. CO₂(g) < CO₂(s) < CO₂(l).

Phương pháp giải:

Đối với một chất, entropy ở thể khí lớn hơn ở thể lỏng, ở thể lỏng lớn hơn ở thể rắn

Lời giải chi tiết:

Đối với một chất, entropy ở thể khí lớn hơn ở thể lỏng, ở thể lỏng lớn hơn ở thể rắn

=> CO₂(s) < CO₂(l) < CO₂(g).

Đáp án A

Phản ứng nào dưới đây xảy ra kèm theo sự giảm entropy?

A. N₂(g) + O₂(g) → 2NO(g).

B. N₂O₄ (g) → 2NO₂(g)

C. 2CO(g) → C(s) + CO₂(g)

D. 2HCl(aq) + Fe(s) → FeCl₂(aq) + H₂(g)

Phương pháp giải:

Phản ứng xảy ra có kèm theo sự giảm entropy => Có sự giảm số mol khí sau phản ứng

Lời giải chi tiết:

A. Trước phản ứng có 2 mol khí, sau phản ứng có 2 mol khí

B. Trước phản ứng có 1 mol khí, sau phản ứng có 2 mol khí

C. Trước phản ứng có 2 mol khí CO, sau phản ứng có 1 mol khí CO₂ => Giảm số mol khí

D. Trước phản ứng không có khí, sau phản ứng có 1 mol khí

Đáp án C

 Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng nào dưới đây có giá trị dương?

A. Ag⁺(aq) + Br^-(aq) → AgBr(s)

B. 2C₂H₆(g) + 3O₂(g) → 4CO₂(g) + 6H₂O(l)

C. N₂(g) + 2H₂(g) → N₂H₄(g)

D. 2H₂O₂(l) → 2H₂O(l) + O₂(g).

Phương pháp giải:

Phản ứng nào có sự tăng số mol khí sau phản ứng => Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng dương

Lời giải chi tiết:

A. Ag⁺(aq) + Br^-(aq) → AgBr(s): Chuyển các ion Ag⁺(aq), Br^-(aq) từ trạng thái chuyển động tự do sang cố định trong tinh thể làm tăng tính trật tự của hệ => ∆S^o < 0

B. 2C₂H₆(g) + 3O₂(g) → 4CO₂(g) + 6H₂O(l): Làm giảm mol khí (từ 5 mol => 4 mol) => ∆S^o < 0

C. N₂(g) + 2H₂(g) → N₂H₄(g): Làm giảm mol khí (từ 5 mol => 4 mol) => ∆S^o < 0

D. 2H₂O₂(l) → 2H₂O(l) + O₂(g): Làm tăng số mol khí (ban đầu không có khí => 1 mol khí O₂) => ∆S^o > 0

Đáp án D

Dựa vào dữ liệu ở Bảng 4.1, tính biến thiên entropy chuẩn của các phản ứng:

a) 4Fe(s) + 3O₂(g) → 2Fe₂O₃(s)

b) SO₂(g) + ½ O₂(g) → SO₃(g)

Phương pháp giải:

\({\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \)

Lời giải chi tiết:

a) \({\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \)

\( = 2S_{298,F{e_2}{O_3}(g)}^0 - (4S_{298,Fe(s)}^0 + 3S_{298,{O_2}(g)}^0)\)

\( = 2.87,4 - (4.27,3 + 3.205,0) = 549,0\) (J/K)

b) \({\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \)

\( = 2S_{298,S{O_3}(g)}^0 - (S_{298,S{O_2}(g)}^0 + \frac{1}{2}S_{298,{O_2}(g)}^0)\)

\( = 256,7 - (248,1 + \frac{1}{2}205,0) =  - 93,90\)(J/K)

Phản ứng phân hủy của potassium chlorate:

KClO₃(s) → KCl(s) + 3/2 O₂(g)

Dựa vào các giá trị của \({\Delta _f}H_{298}^0,S_{298}^0\)ở Bảng 4.1 để tính toán và cho biết ở điều kiện chuẩn phản ứng có khả năng tự xảy ra không?

Phương pháp giải:

\(\begin{array}{l}{\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {H_{298}^0(sp) - } \sum {H_{298}^0(cd)} \\{\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \\{\Delta _r}G_{298}^0 = {\Delta _r}H_{298}^0 - T{\Delta _r}S_{298}^0\end{array}\)

Lời giải chi tiết:

Ta có:

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {H_{298}^0(sp) - } \sum {H_{298}^0(cd)} \)

\( = 436,7 + \frac{3}{2}.0 - ( - 397,7) = 39kJ\)

\({\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \)

\( = (82,6 + \frac{3}{2}.205) - (143,1) = 247(J/K)\)

\({\Delta _r}G_{298}^0 = {\Delta _r}H_{298}^0 - T{\Delta _r}S_{298}^0\)

\(\begin{array}{l} =  - 39 - 298.({247.10^{ - 3}})\\ =  - 112,6(kJ) < 0\end{array}\)

=> phản ứng tự xảy ra

Dựa vào các giá trị của \({\Delta _f}H_{298}^0,S_{298}^0\) ở Bảng 4.1, hãy cho biết có thể dùng C (graphite) để khử Fe₂O₃ thành Fe ở điều kiện chuẩn theo phương trình sau có được không?

3C (graphite) + 2Fe₂O₃(s) → 4Fe(s) + 3CO₂(g)

Phương pháp giải:

\(\begin{array}{l}{\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {H_{298}^0(sp) - } \sum {H_{298}^0(cd)} \\{\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \\{\Delta _r}G_{298}^0 = {\Delta _r}H_{298}^0 - T{\Delta _r}S_{298}^0\end{array}\)

Lời giải chi tiết:

\({\Delta _r}H_{298}^0 = \sum {H_{298}^0(sp) - } \sum {H_{298}^0(cd)} \)

\(\begin{array}{l} = {\rm{(}}4.0 + 3( - 393,5){\rm{)}} - {\rm{(}}3.0 + 2( - 825,5){\rm{)}}\\ = 470,5(kJ)\end{array}\)

\({\Delta _r}S_{298}^0 = \sum {S_{298}^0(sp) - } \sum {S_{298}^0(cd)} \)

\(\begin{array}{l} = (27,3.4 + 3.213,7) - (5,7.3 + 87,4.2)\\ = 558,4(J/K)\end{array}\)

\({\Delta _r}G_{298}^0 = {\Delta _r}H_{298}^0 - T{\Delta _r}S_{298}^0\)

\(\begin{array}{l} = 470,5 - 298.(558,{4.10^{ - 3}})\\ = 304,1(kJ) > 0\end{array}\)