Chuyên đề Hóa 10 Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs có đáp án

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.

${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ = ${Δ}_{r}{H}_{T}^{0}$ - T.${Δ}_{r}{S}_{T}^{0}$

${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ < 0: phản ứng tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ > 0: phản ứng không tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ = 0: phản ứng đạt trạng thái cân bằng (phản ứng đồng thời xảy ra theo hai chiều ngược nhau với tốc độ như nhau).

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

⇒ Entropy của hệ tăng.

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.

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.

${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$=$\sum {S}_{298}^{o}(sp)-\sum {S}_{298}^{o}(c\text{d})$

${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$=$\frac{1}{2}$ × ${S}_{298}^{o}$ (O$_{2}$, g) + ${S}_{298}^{o}$ (SO$_{2}$, g) -${S}_{298}^{o}$ (SO$_{3}$, g)

${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$=$\frac{1}{2}$ × 205,03 + 248,10 – 256,66 = 93,955 J/K > 0

⇒ Phản ứng phân hủy SO$_{3}$ làm tăng độ mất trật tự của hệ.

Ở ví dụ 1, phản ứng tổng hợp SO$_{3}$ có ${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$ = -93,95 J/K < 0

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

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

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

Na(s) + H$_{2}$O(l) → NaOH(aq) + H$_{2}$(g)

Ta thấy phản ứng hóa học làm tăng số mol khí ⇒ ${Δ}_{r}{S}_{T}^{0}$ > 0.

Mặt khác phản ứng làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu nên ${Δ}_{r}{H}_{T}^{0}$ < 0

⇒ ${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ = ${Δ}_{r}{H}_{T}^{0}$ - T. ${Δ}_{r}{S}_{T}^{0}$ < 0

⇒ Phản ứng tự xảy ra một cách dễ dàng.

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

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}$ = ${Δ}_{f}{H}_{298}^{o}$ (CO, g) + $\frac{1}{2}$ × ${Δ}_{f}{H}_{298}^{o}$ (O$_{2}$, g) - ${Δ}_{f}{H}_{298}^{o}$ (CO$_{2}$, g)

${Δ}_{r}{H}_{298}^{o}$ = -110,05 + $\frac{1}{2}$ × 0 – (–393,51) = 283,46 (kJ)

${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$= $\frac{1}{2}$ × ${S}_{298}^{o}$ (O$_{2}$, g) + ${S}_{298}^{o}$ (CO, g) - ${S}_{298}^{o}$ (CO$_{2}$, g)

${Δ}_{r}{S}_{298}^{o}$ = $\frac{1}{2}$ × 205,03 + (-197,50) - 213,69 = -308,675 J/K

${Δ}_{r}{G}_{298}^{o}$ = ${Δ}_{r}{H}_{298}^{0}$ - 298.${Δ}_{r}{S}_{298}^{0}$

${Δ}_{r}{G}_{298}^{o}$= 283,46.10$^{3}$ – 298. (-308,675) = 375445,15 J > 0

⇒ Phản ứng trên không tự xảy ra.

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

${Δ}_{r}{G}_{T}^{0}$ = ${Δ}_{r}{H}_{T}^{0}$ - T. ${Δ}_{r}{T}_{T}^{0}$ < 0

⇔ 283,46.10$^{3}$ – T. (-308,675) < 0

⇔ T > 918 K hay T > 645 $^{o}$C