Mở đầu
Hình 4.1 mô tả sự sắp xếp các phân tử nước ở ba trạng thái khác nhau: rắn, lỏng và khí. Hãy cùng xem xét sự thay đổi về mức độ “mất trật tự” khi chuyển từ nước đá sang hơi nước.
Câu hỏi 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến trật tự ion
Khi đun nóng chảy tinh thể NaCl, điều gì xảy ra với độ mất trật tự của các ion? Giải thích nguyên nhân của sự thay đổi này.
Câu hỏi 2: Tính biến thiên entropy chuẩn trong phản ứng đốt cháy
Tính biến thiên entropy chuẩn cho phản ứng đốt cháy hoàn toàn 1 mol CH3OH(l) bằng O2(g), tạo ra CO2(g) và H2O(g).
Công thức:
ΔrS°298 = ∑S°298(sản phẩm) – ∑S°298(chất đầu)
Lời giải:
CH3OH(l) + 3/2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
ΔrS°298 = S°298(CO2(g)) + 2 S°298(H2O(g)) – S°298(CH3OH(l)) – (3/2) S°298(O2(g))
ΔrS°298 = 213.8 + 2 188.7 – 126.8 – (3/2) 205.2 = 156.6 J/K
Luyện tập 1: Tính biến thiên entropy chuẩn cho các phản ứng hóa học
Tính ΔrS°298 cho 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)
Luyện tập 2: Giải thích dấu của biến thiên entropy
Tại sao ΔrS°298 của quá trình chuyển từ nước lỏng sang hơi nước (H2O(l) → H2O(g)) lại có giá trị dương? Điều này có ý nghĩa gì về mặt năng lượng và sự tự diễn biến của quá trình?
Luyện tập 3: Tính biến thiên năng lượng Gibbs và khả năng tự diễn biến
Tính ΔrG°298 của các phản ứng sau và cho biết ở điều kiện chuẩn, các phản ứng này có tự xảy ra hay không:
a) H2(g) + Cl2(g) → 2HCl(g) (ΔrH°298 = -184.6 kJ)
b) CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) (ΔrH°298 = -890.3 kJ)
c) 2Na(s) + O2(g) → Na2O2(s) (ΔrH°298 = -510.9 kJ)
Công thức:
- Tính Entropy: ΔrS°298 = ∑S°298(sản phẩm) – ∑S°298(chất đầu)
- Tính năng lượng tự do Gibbs: ΔrG°T = ΔrH°T – T * ΔrS°T
Vận dụng 1: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tự diễn biến
Dựa vào giá trị ΔrG°T của phản ứng (2) ở 298 K và 273 K, hãy so sánh điều kiện nào (nhiệt độ thấp hơn hay cao hơn) thuận lợi hơn cho phản ứng diễn ra. Giải thích tại sao.
Vận dụng 2: Phản ứng nung vôi
Phản ứng nhiệt phân CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) trong thực tế còn được gọi là phản ứng gì? Ứng dụng của phản ứng này trong đời sống và công nghiệp là gì?
Vận dụng 3: Tại sao cần nung vôi ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ lý thuyết?
Mặc dù phản ứng nhiệt phân CaCO3 có thể xảy ra ở 848°C, nhưng trong thực tế, người ta thường nung nóng CaCO3 đến khoảng 1000°C. Giải thích lý do tại sao cần sử dụng nhiệt độ cao hơn.
Bài 1: Entropy trong quá trình hòa tan
Thả một vài tinh thể potassium dichromate (K2Cr2O7) màu cam đỏ vào nước. Điều gì xảy ra với entropy của quá trình hòa tan này? Hãy giải thích dựa trên sự thay đổi trật tự của các ion.
Bài 2: Đánh giá khả năng tự diễn biến và ứng dụng của nhôm
Đánh giá khả năng tự xảy ra của phản ứng sau ở điều kiện chuẩn:
2Al(s) + 3H2O(l) → Al2O3(s) + 3H2(g)
Biết ΔrH°298 = -818.3 kJ. Dựa trên kết quả này, hãy giải thích tại sao các đồ vật làm bằng nhôm lại được sử dụng phổ biến trong đời sống.
Bài 3: Xác định nhiệt độ sôi và so sánh với thực nghiệm
Xác định nhiệt độ sôi của CHCl3(l) ở 1 bar và so sánh với giá trị thực nghiệm (61.2°C). Giả thiết rằng biến thiên enthalpy và entropy của quá trình không thay đổi theo nhiệt độ.
| Chất | ΔfH°298 (kJ/mol) | S°298 (J/mol.K) |
|---|---|---|
| CHCl3(l) | -134.1 | 201.7 |
| CHCl3(g) | -102.7 | 295.7 |
Bài 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng phân hủy
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°C
b) 500°C
Biết ΔrH°298 = 710 kJ, ΔrS°298 = 174.8 J/K. Giả sử biến thiên enthalpy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.
Bài 5: Xác định nhiệt độ tối thiểu cho phản ứng nhiệt phân
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 ΔrH°298 = 9.16 kJ. Giả sử biến thiên enthalpy và biến thiên entropy của phản ứng không phụ thuộc vào nhiệt độ.
Bài 6: Sự hình thành gỉ sắt và tính tự diễn biến
Ở điều kiện thường (coi là 25°C, 1 bar), có tự xảy ra quá trình sắt bị biến đổi thành Fe2O3(s) (thành phần chính của gỉ sắt) hay không? Giải thích.
Bài 7: Vai trò của ΔrH° và ΔrG° trong dự đoán khả năng tự diễn biến
Để dự đoán khả năng tự xảy ra của một phản ứng hóa học, chúng ta cần sử dụng cả ΔrH° và ΔrG°. Giải thích tại sao cả hai đại lượng này đều quan trọng và cách chúng liên hệ với nhau. Trong đó, tính entropy có vai trò như thế nào trong việc xác định khả năng tự diễn biến của phản ứng?