Chuyên đề Hóa 10 Bài 4 (Kết nối tri thức): 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 24 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

A/ Câu hỏi đầu bài

Câu hỏi mở đầu trang 24 Chuyên đề Hóa 10:Dựa vào đại lượng nào để dự đoán phản ứng hóa học có thể xảy ra được hay không?

Lời giải:

Để dự đoán phản ứng hóa học có thể xảy ra được hay không, ta có thể dựa vào độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs: ${\Delta }_r{G}_T^o={\Delta }_r{H}_T^o-T.{\Delta }_r{S}_T^o$

${\Delta }_r{G}_T^o$< 0 ⇒ Phản ứng tự xảy ra.

${\Delta }_r{G}_T^o$= 0 ⇒ Phản ứng đạt trạng thái cân bằng

${\Delta }_r{G}_T^o$> 0 ⇒ Phản ứng không tự xảy ra.

Giải bài tập trang 25 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

B/ Câu hỏi giữa bài

I. Entropy

Câu hỏi 1 trang 25 Chuyên đề Hóa 10: 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).

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

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

⇒ Chiều tăng dần giá trị entropy chuẩn của CO₂ là CO₂(s) < CO₂(l) < CO₂(g).

Câu hỏi 2 trang 25 Chuyên đề Hóa 10: 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).

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Phản ứng C làm giảm số mol khí nên biến thiên entropy âm (∆S < O) nên phản ứng xảy ra kèm theo sự giảm entropy.

Câu hỏi 3 trang 25 Chuyên đề Hóa 10: 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(1) + O₂(g).

Lời giải:

Đáp án D

Phản ứng D làm tăng số mol khí nên biến thiên entropy dương (∆S > O).

Câu hỏi 4 trang 25 Chuyên đề Hóa 10: 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) + $\frac{1}{2}$O₂(g) → SO₃(g)

Lời giải:

Ta có: ${\Delta }_r{S}_{298}^o=\sum S_{298}^o\left(sp\right)-\sum S_{298}^o\left(cd\right)$

a) Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng là

${\Delta }_r{S}_{298}^o$= (2.87,4) – (4.27,3 + 3.205) = - 549,4 (J/K)

b) Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng là

${\Delta }_r{S}_{298}^o$= 256,7 – (248,1 + $\frac{1}{2}$.205,0) = – 93,9 (J/K)

Giải bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10 Bài 4

II. Năng lượng tự do Gibbs

Câu hỏi 5 trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Phản ứng phân huỷ của potassium chlorate:

KClO₃(s) → KCl(s) + $\frac{3}{2}$O₂(g)

Dựa vào các giá trị của ${\Delta }_f{H}_{298}^o,S_{298}^o$ở Bảng 4.1 để tính toán và cho biết ở điều kiện chuẩn phản ứng có khả năng tự xảy ra ở 25 °C không?

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

KClO₃(s) → KCl(s) + $\frac{3}{2}$O₂(g)

Tại 25 ^oC (hay 298K). Biến thiên entropy của phản ứng là

${\Delta }_r{S}_{298}^o$$=\sum S_{298}^o\left(sp\right)-\sum S_{298}^o\left(cd\right)$= (82,6 + $\frac{3}{2}$.205,0) – (1.143,1) = 247 (J/K)

Biến thiên enthalpy của phản ứng là:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum \Delta H_{298}^o\left(sp\right)$$-\sum \Delta H_{298}^o\left(cd\right)$= [1.(-436,7) + $\frac{3}{2}$.0] – [1.(-397,7)] = -39 kJ

⇒ ${\Delta }_r{G}_{298}^o={\Delta }_r{H}_{298}^o-298.{\Delta }_r{S}_{298}^o$= –39.10³ – 298. 247 = – 112 606 J < 0

⇒ Ở điều kiện 25^oC, phản ứng tự xảy ra được.

Câu hỏi 6 trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Dựa vào các giá trị của ${\Delta }_f{H}_{298}^o,S_{298}^o$ 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 được không?

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

Lời giải:

Phương trình phản ứng:

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

Tại 25 ^oC (hay 298K). Biến thiên entropy của phản ứng là

${\Delta }_r{S}_{298}^o=\sum S_{298}^o\left(sp\right)-\sum S_{298}^o\left(cd\right)$= (4.27,3 + 3.213,7) – (3.5,7 + 2.87,4) = 558,4 (J/K)

Biến thiên enthalpy của phản ứng là:

${\Delta }_r{H}_{298}^o=\sum \Delta H_{298}^o\left(sp\right)$$-\sum \Delta H_{298}^o\left(cd\right)$= [4.0 + 3.(-393,5)] – [3.0 + 2.(-825,5)] = 470,5 kJ

⇒ ${\Delta }_r{G}_{298}^o={\Delta }_r{H}_{298}^o-298.{\Delta }_r{S}_{298}^o$= 470,5.10³ – 298. 558,4 = 304 096,8 J > 0

⇒ Phản ứng không tự xảy ra.

⇒ Ở điều kiện 25^oC, không thể dùng C (graphite) để khử Fe₂O₃ thành Fe được.

Em có thể trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Xác định được ${\Delta }_r{G}_{298}^o$từ các giá trị $S_{298}^o$và ${\Delta }_f{H}_{298}^o$ và suy ra xu hướng tự xảy ra của các phản ứng hóa học.

Lời giải:

Biến thiên năng lượng tự do Gibbs: ${\Delta }_r{G}_T^o={\Delta }_r{H}_T^o-T.{\Delta }_r{S}_T^o$

${\Delta }_r{G}_T^o$< 0 ⇒ Phản ứng tự xảy ra.

${\Delta }_r{G}_T^o$= 0 ⇒ Phản ứng đạt trạng thái cân bằng

${\Delta }_r{G}_T^o$> 0 ⇒ Phản ứng không tự xảy ra.