Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- I. GIỚI THIỆU
- 1. Entropy ($\Delta S$) là gì?
- 2. Năng lượng Gibbs ($\Delta G$) là gì?
- 3. Mối liên hệ giữa $\Delta H$, $\Delta S$, $\Delta G$
- II. CÔNG THỨC TÍNH BIẾN THIÊN ENTROPY
- 1. Công thức chính
- 2. Ví dụ minh họa
- 3. Dự đoán dấu của $\Delta S$
- III. CÔNG THỨC TÍNH BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG GIBBS
- 1. Công thức Gibbs – Helmholtz
- 2. Công thức tính theo năng lượng tạo thành
- 3. Dự đoán chiều phản ứng
- 4. Ảnh hưởng của $\Delta H$ và $\Delta S$
- 5. Ví dụ minh họa tổng hợp
- IV. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP
- A. Công thức Entropy
- B. Công thức Năng lượng Gibbs
- C. Điều kiện tự xảy ra
- D. Mối liên hệ giữa các đại lượng
- V. BÀI TẬP MẪU
- VI. MẸO VÀ LƯU Ý
- 1. Mẹo nhớ công thức
- 2. Các sai lầm thường gặp
- 3. Kiểm tra nhanh
- VII. KẾT LUẬN
- Quy tắc dự đoán chiều phản ứng
- 🌟 Điều kiện lý tưởng
I. GIỚI THIỆU
1. Entropy ($\Delta S$) là gì?
Định nghĩa: Entropy (ký hiệu S) là đại lượng nhiệt động đo mức độ hỗn loạn, mức độ phân tán năng lượng và độ mất trật tự của một hệ vật chất.
Ký hiệu và đơn vị:
- Ký hiệu: S (entropy của hệ), $\Delta S$ (biến thiên entropy)
- Đơn vị: J/(mol.K) hoặc kJ/(mol.K)
- Tên gọi: Entropi (theo tiếng Việt)
Ý nghĩa vật lý:
Entropy là thước đo “sự hỗn độn” của hệ:
- S càng lớn → hệ càng hỗn loạn, phân tán năng lượng cao
- S càng nhỏ → hệ càng trật tự, năng lượng tập trung
So sánh entropy giữa các trạng thái:
$$S_{rắn} < S_{lỏng} < S_{khí}$$
Giải thích:
- Chất rắn: Các phân tử sắp xếp chặt chẽ, có trật tự → Entropy thấp
- Chất lỏng: Các phân tử linh động hơn nhưng vẫn gần nhau → Entropy trung bình
- Chất khí: Các phân tử chuyển động tự do, phân tán rộng → Entropy cao
Các yếu tố ảnh hưởng đến entropy:
Nhiệt độ tăng → Entropy tăng (phân tử chuyển động mạnh hơn)
Thể tích tăng → Entropy tăng (không gian phân tán lớn hơn)
Số phân tử tăng → Entropy tăng (độ hỗn loạn tăng)
Ví dụ thực tế:
- Nước đá tan thành nước lỏng: Entropy tăng (rắn → lỏng)
- Nước bay hơi thành hơi nước: Entropy tăng mạnh (lỏng → khí)
- Muối ăn tan vào nước: Entropy tăng (ion phân tán trong dung dịch)
2. Năng lượng Gibbs ($\Delta G$) là gì?
Định nghĩa: Năng lượng tự do Gibbs (hay năng lượng Gibbs) là hàm nhiệt động dùng để dự đoán chiều tự xảy ra của phản ứng hóa học ở nhiệt độ và áp suất không đổi.
Ký hiệu và đơn vị:
- Ký hiệu: G (năng lượng Gibbs), $\Delta G$ (biến thiên năng lượng Gibbs)
- Đơn vị: kJ/mol hoặc J/mol
- Tên gọi khác: Năng lượng tự do Gibbs, enthalpy tự do
Ý nghĩa của $\Delta G$:
Dấu của $\Delta G$ cho biết khả năng tự xảy ra của phản ứng:
| Giá trị $\Delta G$ | Ý nghĩa | Phản ứng |
|---|---|---|
| $\Delta G < 0$ | Năng lượng giảm | Phản ứng tự xảy ra (thuận chiều) |
| $\Delta G > 0$ | Năng lượng tăng | Phản ứng không tự xảy ra (cần cung cấp năng lượng) |
| $\Delta G = 0$ | Năng lượng không đổi | Phản ứng ở trạng thái cân bằng |
Hiểu đơn giản:
- $\Delta G < 0$: Phản ứng “tự nguyện” xảy ra, giống như viên bi lăn xuống dốc
- $\Delta G > 0$: Phản ứng cần “đẩy”, giống như đẩy viên bi lên dốc
- $\Delta G = 0$: Phản ứng đang “đứng yên” ở trạng thái cân bằng
Lưu ý quan trọng:
- $\Delta G < 0$ chỉ cho biết phản ứng CÓ KHẢ NĂNG tự xảy ra
- KHÔNG cho biết phản ứng xảy ra NHANH hay CHẬM
- Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào động học (năng lượng hoạt hóa)
3. Mối liên hệ giữa $\Delta H$, $\Delta S$, $\Delta G$
Ba đại lượng nhiệt động quan trọng liên hệ với nhau:
Sơ đồ quan hệ:
ΔH (Enthalpy)
(Yếu tố năng lượng)
+
ΔS (Entropy)
(Yếu tố hỗn loạn)
↓
ΔG (Gibbs)
(Dự đoán chiều phản ứng)
Giải thích:
- $\Delta H$: Cho biết phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt
- $\Delta S$: Cho biết độ hỗn loạn của hệ tăng hay giảm
- $\Delta G$: Kết hợp cả hai yếu tố trên để dự đoán chiều phản ứng
Công thức liên hệ (sẽ học ở phần III): $$\Delta G = \Delta H – T\Delta S$$
Đây là công thức quan trọng nhất trong nhiệt động hóa học!
II. CÔNG THỨC TÍNH BIẾN THIÊN ENTROPY
1. Công thức chính
📌 Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng:
$$\boxed{\Delta S^0_{pư} = \sum S^0(\text{sản phẩm}) – \sum S^0(\text{chất đầu})}$$
Hoặc viết đầy đủ hơn:
$$\boxed{\Delta S_{pư}^0 = \sum n_i \cdot S^0(\text{sản phẩm}_i) – \sum n_j \cdot S^0(\text{chất đầu}_j)}$$
Trong đó:
- $\Delta S_{pư}^0$: Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng
- $S^0$: Entropy chuẩn của các chất (tra bảng)
- $n_i$, $n_j$: Hệ số tỷ lượng trong phương trình hóa học
- Đơn vị: J/(mol.K)
Nguyên tắc tính:
- Tính tổng entropy của SẢN PHẨM (nhớ nhân hệ số)
- Tính tổng entropy của CHẤT ĐẦU (nhớ nhân hệ số)
- Lấy (1) trừ (2)
⚠️ LƯU Ý CỰC KỲ QUAN TRỌNG:
Khác với enthalpy ($\Delta H_f^0$), entropy của ĐơN CHẤT ≠ 0
- $\Delta H_f^0(\text{đơn chất}) = 0$ ✓
- $\Delta G_f^0(\text{đơn chất}) = 0$ ✓
- $S^0(\text{đơn chất}) \neq 0$ ✓✓✓
Ví dụ: $S^0(O_2) = 205$ J/(mol.K), $S^0(H_2) = 131$ J/(mol.K)
2. Ví dụ minh họa
Bài toán: Tính $\Delta S^0$ của phản ứng tạo thành nước: $$2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$$
Cho dữ kiện:
- $S^0(H_2) = 131$ J/(mol.K)
- $S^0(O_2) = 205$ J/(mol.K)
- $S^0(H_2O_{lỏng}) = 70$ J/(mol.K)
Lời giải:
Bước 1: Xác định entropy của sản phẩm $$\sum S^0(\text{sản phẩm}) = 2 \times S^0(H_2O) = 2 \times 70 = 140 \text{ J/K}$$
Bước 2: Xác định entropy của chất đầu $$\sum S^0(\text{chất đầu}) = 2 \times S^0(H_2) + 1 \times S^0(O_2)$$ $$= 2 \times 131 + 1 \times 205 = 262 + 205 = 467 \text{ J/K}$$
Bước 3: Tính biến thiên entropy $$\Delta S^0 = 140 – 467 = -327 \text{ J/K}$$
Giải thích kết quả:
$\Delta S^0 = -327$ J/K < 0 (âm) vì:
- Chất đầu: 3 mol khí (2H₂ + O₂) → Entropy cao
- Sản phẩm: 2 mol nước lỏng → Entropy thấp
- Kết luận: Khí biến thành lỏng → Độ hỗn loạn giảm → $\Delta S < 0$ ✓
3. Dự đoán dấu của $\Delta S$
Không cần tra bảng, có thể dự đoán dấu của $\Delta S$ dựa vào:
Bảng dự đoán:
| Trường hợp | Dấu $\Delta S$ | Ví dụ | Giải thích |
|---|---|---|---|
| Số mol khí tăng | $\Delta S > 0$ | $2NH_3 \rightarrow N_2 + 3H_2$ | 2 mol khí → 4 mol khí |
| Số mol khí giảm | $\Delta S < 0$ | $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ | 4 mol khí → 2 mol khí |
| Rắn → Khí | $\Delta S > 0$ | $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ | Tạo khí, độ hỗn loạn tăng |
| Khí → Lỏng/Rắn | $\Delta S < 0$ | $H_2O_{(g)} \rightarrow H_2O_{(l)}$ | Khí hóa lỏng, mất độ tự do |
| Rắn → Lỏng | $\Delta S > 0$ | Nước đá tan | Phân tử linh động hơn |
| Chất tan vào nước | $\Delta S > 0$ | $NaCl_{(r)} \rightarrow Na^+ + Cl^-$ | Ion phân tán trong dung dịch |
Quy tắc vàng:
- Chất khí nhiều hơn → $\Delta S > 0$
- Chất khí ít hơn → $\Delta S < 0$
- Không thay đổi số mol khí → Khó dự đoán (phải tính)
III. CÔNG THỨC TÍNH BIẾN THIÊN NĂNG LƯỢNG GIBBS
1. Công thức Gibbs – Helmholtz
📌 CÔNG THỨC QUAN TRỌNG NHẤT:
$$\boxed{\Delta G = \Delta H – T\Delta S}$$
Trong đó:
- $\Delta G$: Biến thiên năng lượng Gibbs (J hoặc kJ)
- $\Delta H$: Biến thiên enthalpy (J hoặc kJ)
- $\Delta S$: Biến thiên entropy (J/K hoặc kJ/K)
- $T$: Nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin)
⚠️ CẢNH BÁO VỀ ĐƠN VỊ:
Đây là sai lầm phổ biến nhất khi tính $\Delta G$!
Trường hợp thường gặp:
- $\Delta H$ cho bằng kJ
- $\Delta S$ cho bằng J/K
- Nếu nhân trực tiếp → SAI!
Cách xử lý đơn vị:
Cách 1: Đổi $\Delta S$ từ J/K sang kJ/K $$\Delta S (\text{kJ/K}) = \frac{\Delta S (\text{J/K})}{1000}$$
Cách 2: Đổi $\Delta H$ từ kJ sang J $$\Delta H (\text{J}) = \Delta H (\text{kJ}) \times 1000$$
Ví dụ về đơn vị:
- $\Delta H = -572$ kJ
- $\Delta S = -327$ J/K
- $T = 298$ K
Đổi đơn vị: $\Delta S = -327$ J/K = $-0.327$ kJ/K
Tính: $$\Delta G = -572 – 298 \times (-0.327) = -572 + 97.4 = -474.6 \text{ kJ}$$
2. Công thức tính theo năng lượng tạo thành
📌 Công thức năng lượng Gibbs chuẩn:
$$\boxed{\Delta G^0_{pư} = \sum \Delta G_f^0(\text{sản phẩm}) – \sum \Delta G_f^0(\text{chất đầu})}$$
Hoặc viết đầy đủ:
$$\Delta G_{pư}^0 = \sum n_i \cdot \Delta G_f^0(\text{sản phẩm}_i) – \sum n_j \cdot \Delta G_f^0(\text{chất đầu}_j)$$
Trong đó:
- $\Delta G_f^0$: Năng lượng Gibbs tạo thành chuẩn (tra bảng)
- $n_i$, $n_j$: Hệ số tỷ lượng
Quy ước quan trọng: $$\boxed{\Delta G_f^0(\text{đơn chất}) = 0}$$
Ví dụ: $\Delta G_f^0(O_2) = 0$, $\Delta G_f^0(H_2) = 0$, $\Delta G_f^0(N_2) = 0$
Khi nào dùng công thức này?
- Khi đề bài cho sẵn $\Delta G_f^0$ của các chất
- Không cần biết $\Delta H$ và $\Delta S$
3. Dự đoán chiều phản ứng
Bảng dự đoán chiều:
| Giá trị $\Delta G$ | Ý nghĩa | Phản ứng | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| $\Delta G < 0$ | Năng lượng giảm | Tự xảy ra (thuận chiều) ✓ | Đốt cháy, trung hòa axit-bazơ |
| $\Delta G > 0$ | Năng lượng tăng | Không tự xảy ra ✗ | Điện phân nước, quang hợp |
| $\Delta G = 0$ | Cân bằng động | Trạng thái cân bằng ⚖️ | Phản ứng thuận nghịch ở CB |
Giải thích:
$\Delta G < 0$ (âm):
- Hệ thả năng lượng ra môi trường
- Phản ứng tự xảy ra, không cần tác động bên ngoài
- Ví dụ: Sắt gỉ trong không khí ẩm
$\Delta G > 0$ (dương):
- Hệ cần hấp thụ năng lượng từ môi trường
- Phản ứng không tự xảy ra, cần cung cấp năng lượng (điện, nhiệt, ánh sáng)
- Ví dụ: Điện phân nước cần dòng điện
$\Delta G = 0$:
- Hệ ở trạng thái cân bằng
- Tốc độ phản ứng thuận = tốc độ phản ứng nghịch
- Nồng độ các chất không đổi
4. Ảnh hưởng của $\Delta H$ và $\Delta S$
Bảng phân tích đầy đủ:
| $\Delta H$ | $\Delta S$ | Biểu thức $\Delta G$ | Phản ứng tự xảy ra? | Điều kiện |
|---|---|---|---|---|
| < 0 (tỏa nhiệt) | > 0 (tăng hỗn loạn) | $\Delta G = (-) – T(+)$ | ✓ Luôn tự xảy ra | Mọi nhiệt độ |
| < 0 (tỏa nhiệt) | < 0 (giảm hỗn loạn) | $\Delta G = (-) – T(-)$ | Phụ thuộc T | T thấp |
| > 0 (thu nhiệt) | > 0 (tăng hỗn loạn) | $\Delta G = (+) – T(+)$ | Phụ thuộc T | T cao |
| > 0 (thu nhiệt) | < 0 (giảm hỗn loạn) | $\Delta G = (+) – T(-)$ | ✗ Không bao giờ | Không có T nào |
Phân tích chi tiết từng trường hợp:
Trường hợp 1: $\Delta H < 0$, $\Delta S > 0$ – LÝ TƯỞNG NHẤT $$\Delta G = (\text{âm}) – T \times (\text{dương}) = \text{âm} – \text{dương} < 0$$
- Luôn âm ở mọi nhiệt độ
- Phản ứng luôn tự xảy ra
- Ví dụ: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O_{(g)}$ (tỏa nhiệt + tăng hỗn loạn mạnh)
Trường hợp 2: $\Delta H < 0$, $\Delta S < 0$ $$\Delta G = (\text{âm}) – T \times (\text{âm}) = \text{âm} + T \times |\Delta S|$$
- Ở nhiệt độ thấp: $|T\Delta S|$ nhỏ → $\Delta G < 0$ → Tự xảy ra ✓
- Ở nhiệt độ cao: $|T\Delta S|$ lớn → $\Delta G > 0$ → Không tự xảy ra ✗
- Ví dụ: $N_2 + 3H_2 \rightarrow 2NH_3$ (tỏa nhiệt nhưng giảm số mol khí)
Trường hợp 3: $\Delta H > 0$, $\Delta S > 0$ $$\Delta G = (\text{dương}) – T \times (\text{dương}) = \text{dương} – T\Delta S$$
- Ở nhiệt độ thấp: $T\Delta S$ nhỏ → $\Delta G > 0$ → Không tự xảy ra ✗
- Ở nhiệt độ cao: $T\Delta S$ lớn → $\Delta G < 0$ → Tự xảy ra ✓
- Ví dụ: $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$ (thu nhiệt nhưng tạo khí)
Trường hợp 4: $\Delta H > 0$, $\Delta S < 0$ – TỆ NHẤT $$\Delta G = (\text{dương}) – T \times (\text{âm}) = \text{dương} + T \times |\Delta S| > 0$$
- Luôn dương ở mọi nhiệt độ
- Phản ứng không bao giờ tự xảy ra
- Cần can thiệp mạnh (điện phân, quang phân)
5. Ví dụ minh họa tổng hợp
Bài toán: Xét phản ứng tạo thành nước: $$2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l)$$
Cho dữ liệu ở 25°C (298 K):
- $\Delta H^0 = -572$ kJ
- $\Delta S^0 = -327$ J/K
- $T = 298$ K
Yêu cầu: a) Tính $\Delta G^0$ của phản ứng b) Dự đoán chiều phản ứng c) Giải thích kết quả
Lời giải:
Câu a) Tính $\Delta G^0$:
Bước 1: Xử lý đơn vị
- $\Delta H^0 = -572$ kJ
- $\Delta S^0 = -327$ J/K = $-0.327$ kJ/K (chia 1000)
- $T = 298$ K
Bước 2: Áp dụng công thức Gibbs-Helmholtz $$\Delta G^0 = \Delta H^0 – T\Delta S^0$$ $$= -572 – 298 \times (-0.327)$$ $$= -572 – (-97.4)$$ $$= -572 + 97.4$$ $$= -474.6 \text{ kJ}$$
Câu b) Dự đoán chiều:
Vì $\Delta G^0 = -474.6$ kJ < 0 (âm) nên phản ứng tự xảy ra theo chiều thuận ✓
Câu c) Giải thích:
- $\Delta H^0 < 0$: Phản ứng tỏa nhiệt (thuận lợi cho tự xảy ra)
- $\Delta S^0 < 0$: Độ hỗn loạn giảm (không thuận lợi)
- Tuy nhiên, ảnh hưởng của $\Delta H$ (tỏa nhiệt mạnh) lớn hơn ảnh hưởng của $T\Delta S$ (giảm hỗn loạn)
- Kết quả: $\Delta G^0 < 0$ → Phản ứng vẫn tự xảy ra
Kết luận: Phản ứng đốt cháy hydro trong oxi tạo nước là phản ứng tự xảy ra mạnh mẽ ở nhiệt độ thường.
IV. BẢNG CÔNG THỨC TỔNG HỢP
A. Công thức Entropy
| Tên công thức | Biểu thức | Đơn vị | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Biến thiên entropy | $\Delta S^0 = \sum S^0_{\text{sp}} – \sum S^0_{\text{đầu}}$ | J/(mol.K) | $S^0$ đơn chất ≠ 0 |
| Entropy chuẩn | $\Delta S^0_{pư} = \sum n_i S^0_i – \sum n_j S^0_j$ | J/(mol.K) | Nhớ nhân hệ số |
B. Công thức Năng lượng Gibbs
| Tên công thức | Biểu thức | Đơn vị | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Gibbs-Helmholtz | $\Delta G = \Delta H – T\Delta S$ | kJ hoặc J | Công thức quan trọng nhất |
| Năng lượng tạo thành | $$\Delta G^0_{pư} = \sum \Delta G^0_{f,(sản phẩm)} – \sum \Delta G^0_{f,(chất đầu)}$$ | kJ/mol | $\Delta G_f^0$ đơn chất = 0 |
C. Điều kiện tự xảy ra
| Điều kiện | Ý nghĩa | Kết luận |
|---|---|---|
| $\Delta G < 0$ | Năng lượng giảm | Phản ứng tự xảy ra ✓ |
| $\Delta G > 0$ | Năng lượng tăng | Phản ứng không tự xảy ra ✗ |
| $\Delta G = 0$ | Năng lượng không đổi | Phản ứng cân bằng ⚖️ |
D. Mối liên hệ giữa các đại lượng
Sơ đồ tư duy:
ΔH TΔS
(năng lượng) (độ hỗn loạn × nhiệt độ)
↓ ↓
└───── ΔG ──────┘
(khả năng tự xảy ra)
↓
< 0: Tự xảy ra ✓
> 0: Không tự xảy ra ✗
= 0: Cân bằng ⚖️
Công thức liên hệ: $$\boxed{\Delta G = \Delta H – T\Delta S}$$
V. BÀI TẬP MẪU
Bài tập 1: Tính $\Delta S^0$ của phản ứng
Đề bài: Tính biến thiên entropy chuẩn của phản ứng tổng hợp amoniac: $$N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$$
Cho dữ liệu entropy chuẩn ở 25°C:
- $S^0(N_2) = 192$ J/(mol.K)
- $S^0(H_2) = 131$ J/(mol.K)
- $S^0(NH_3) = 193$ J/(mol.K)
Lời giải:
Bước 1: Áp dụng công thức $$\Delta S^0 = \sum S^0(\text{sản phẩm}) – \sum S^0(\text{chất đầu})$$
Bước 2: Tính tổng entropy sản phẩm $$\sum S^0_{\text{sp}} = 2 \times S^0(NH_3) = 2 \times 193 = 386 \text{ J/K}$$
Bước 3: Tính tổng entropy chất đầu $$\sum S^0_{\text{đầu}} = 1 \times S^0(N_2) + 3 \times S^0(H_2)$$ $$= 1 \times 192 + 3 \times 131 = 192 + 393 = 585 \text{ J/K}$$
Bước 4: Tính $\Delta S^0$ $$\Delta S^0 = 386 – 585 = -199 \text{ J/K}$$
Giải thích kết quả:
$\Delta S^0 = -199$ J/K < 0 (âm) vì:
- Chất đầu: 4 mol khí (1N₂ + 3H₂)
- Sản phẩm: 2 mol khí (2NH₃)
- Số mol khí giảm: 4 → 2 mol
- Kết luận: Độ hỗn loạn giảm → $\Delta S < 0$ ✓
Bài tập 2: Tính $\Delta G$ và xác định nhiệt độ tự xảy ra
Đề bài: Cho phản ứng phân hủy canxi cacbonat: $$CaCO_3(r) \rightarrow CaO(r) + CO_2(g)$$
Cho dữ liệu:
- $\Delta H^0 = +178$ kJ
- $\Delta S^0 = +160$ J/K
Yêu cầu: a) Phản ứng này có tự xảy ra ở 25°C (298 K) không? b) Ở nhiệt độ nào phản ứng bắt đầu tự xảy ra?
Lời giải:
Câu a) Kiểm tra ở 25°C:
Bước 1: Đổi đơn vị
- $\Delta S^0 = 160$ J/K = $0.160$ kJ/K
Bước 2: Tính $\Delta G$ ở 298 K $$\Delta G = \Delta H – T\Delta S$$ $$= 178 – 298 \times 0.160$$ $$= 178 – 47.68 = 130.32 \text{ kJ}$$
Kết luận a: $\Delta G = 130.32$ kJ > 0 → Phản ứng KHÔNG tự xảy ra ở 25°C ✗
Câu b) Tìm nhiệt độ tự xảy ra:
Phản ứng tự xảy ra khi $\Delta G < 0$: $$\Delta H – T\Delta S < 0$$ $$\Delta H < T\Delta S$$ $$T > \frac{\Delta H}{\Delta S}$$
Tính nhiệt độ tối thiểu: $$T > \frac{178 \times 1000}{160} = \frac{178000}{160} = 1112.5 \text{ K}$$
Đổi sang độ C: $$T > 1112.5 – 273 = 839.5°\text{C}$$
Kết luận b: Phản ứng tự xảy ra ở nhiệt độ cao hơn 1112.5 K (khoảng 840°C)
Giải thích:
- $\Delta H > 0$: Phản ứng thu nhiệt (không thuận lợi)
- $\Delta S > 0$: Tạo khí, tăng hỗn loạn (thuận lợi)
- Ở nhiệt độ cao, yếu tố $T\Delta S$ (dương, lớn) chiếm ưu thế → $\Delta G < 0$
- Đây là lý do phải nung vôi ở nhiệt độ cao trong công nghiệp
Bài tập 3: Phân tích điều kiện tự xảy ra
Đề bài: Phản ứng nào trong các phản ứng sau luôn tự xảy ra ở mọi nhiệt độ?
A. $\Delta H > 0$, $\Delta S > 0$
B. $\Delta H < 0$, $\Delta S > 0$
C. $\Delta H > 0$, $\Delta S < 0$
D. $\Delta H < 0$, $\Delta S < 0$
Lời giải:
Phân tích từng trường hợp:
Đáp án A: $\Delta H > 0$, $\Delta S > 0$ $$\Delta G = (+) – T(+) = (+) – (+)$$
- Ở T thấp: $\Delta G > 0$ (không tự xảy ra)
- Ở T cao: $\Delta G < 0$ (tự xảy ra)
- Phụ thuộc nhiệt độ → Không phải đáp án ✗
Đáp án B: $\Delta H < 0$, $\Delta S > 0$ $$\Delta G = (-) – T(+) = (-) – (+) < 0$$
- Ln luôn âm ở mọi T > 0
- Luôn tự xảy ra → ĐÁP ÁN ĐÚNG ✓✓✓
Đáp án C: $\Delta H > 0$, $\Delta S < 0$ $$\Delta G = (+) – T(-) = (+) + (+) > 0$$
- Luôn dương ở mọi T
- Không bao giờ tự xảy ra → Không phải đáp án ✗
Đáp án D: $\Delta H < 0$, $\Delta S < 0$ $$\Delta G = (-) – T(-) = (-) + (+)$$
- Ở T thấp: $\Delta G < 0$ (tự xảy ra)
- Ở T cao: $\Delta G > 0$ (không tự xảy ra)
- Phụ thuộc nhiệt độ → Không phải đáp án ✗
Đáp án chính xác: B
Giải thích:
- Phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta H < 0$) VÀ tăng độ hỗn loạn ($\Delta S > 0$)
- Cả hai yếu tố đều thuận lợi
- $\Delta G = \text{âm} – \text{dương} < 0$ ở mọi nhiệt độ
- Đây là điều kiện LÝ TƯỞNG NHẤT cho phản ứng tự xảy ra
VI. MẸO VÀ LƯU Ý
1. Mẹo nhớ công thức
Công thức Gibbs chính: $$\boxed{\Delta G = \Delta H – T\Delta S}$$
Cách nhớ: “Gibbs = Heat trừ Temperature nhân S”
Hoặc: “Gibbs bằng H trừ TS”
Dấu của $\Delta G$ quyết định chiều:
- < 0 (âm): Tự xảy ra ✓ (nhớ: âm = amin = tự động xảy ra)
- > 0 (dương): Không tự xảy ra ✗ (nhớ: dương = dừng lại)
- = 0: Cân bằng ⚖️
Entropy tăng theo: Rắn → Lỏng → Khí $$S_{\text{rắn}} < S_{\text{lỏng}} < S_{\text{khí}}$$
Cách nhớ: “Khí tự do nhất → Entropy cao nhất”
Entropy và số mol khí:
- Số mol khí TĂNG → $\Delta S > 0$ ↑
- Số mol khí GIẢM → $\Delta S < 0$ ↓
2. Các sai lầm thường gặp
❌ SAI LẦM 1: Nhầm đơn vị
Sai: $\Delta H$ (kJ) nhưng $\Delta S$ (J/K) → Tính luôn $$\Delta G = -572 – 298 \times (-327) = \text{???}$$ ❌❌❌
Đúng: Phải đổi về cùng đơn vị!
- Đổi $\Delta S$ sang kJ/K: $-327$ J/K = $-0.327$ kJ/K
- Hoặc đổi $\Delta H$ sang J: $-572$ kJ = $-572000$ J
$$\Delta G = -572 – 298 \times (-0.327) = -474.6 \text{ kJ}$$ ✓
❌ SAI LẦM 2: Quên nhân nhiệt độ T
Sai: $$\Delta G = \Delta H – \Delta S$$ ❌
Đúng: $$\Delta G = \Delta H – T\Delta S$$ ✓
Phải có nhiệt độ T!
❌ SAI LẦM 3: Nghĩ rằng entropy đơn chất = 0
Sai: $S^0(O_2) = 0$ ❌
Đúng: $S^0(O_2) = 205$ J/(mol.K) ✓
Quy ước đúng:
- $\Delta H_f^0(\text{đơn chất}) = 0$ ✓
- $\Delta G_f^0(\text{đơn chất}) = 0$ ✓
- $S^0(\text{đơn chất}) \neq 0$ ✓✓✓
❌ SAI LẦM 4: Nhầm dấu công thức Gibbs
Sai: $$\Delta G = \Delta H + T\Delta S$$ ❌ (dấu cộng)
Đúng: $$\Delta G = \Delta H – T\Delta S$$ ✓ (dấu trừ)
3. Kiểm tra nhanh
Phản ứng lý tưởng (luôn tự xảy ra): $$\Delta H < 0 \text{ và } \Delta S > 0 \Rightarrow \Delta G < 0$$
- Tỏa nhiệt + Tăng hỗn loạn
- Ví dụ: Đốt cháy hydro trong oxi
Phản ứng không bao giờ tự xảy ra: $$\Delta H > 0 \text{ và } \Delta S < 0 \Rightarrow \Delta G > 0$$
- Thu nhiệt + Giảm hỗn loạn
- Cần can thiệp mạnh (điện phân)
Phản ứng phụ thuộc nhiệt độ:
- $\Delta H < 0$, $\Delta S < 0$ → Tự xảy ra ở T thấp
- $\Delta H > 0$, $\Delta S > 0$ → Tự xảy ra ở T cao
VII. KẾT LUẬN
Bài viết đã trình bày ngắn gọn và đầy đủ công thức Entropy và Năng lượng Gibbs:
Entropy ($\Delta S$): Đo độ hỗn loạn của hệ $$\boxed{\Delta S^0 = \sum S^0(\text{sản phẩm}) – \sum S^0(\text{chất đầu})}$$
Năng lượng Gibbs ($\Delta G$): Dự đoán chiều phản ứng $$\boxed{\Delta G = \Delta H – T\Delta S}$$
Quy tắc dự đoán chiều phản ứng
| Giá trị $\Delta G$ | Phản ứng |
|---|---|
| $\Delta G < 0$ | Tự xảy ra ✓ |
| $\Delta G > 0$ | Không tự xảy ra ✗ |
| $\Delta G = 0$ | Cân bằng ⚖️ |
🌟 Điều kiện lý tưởng
$$\boxed{\Delta H < 0 \text{ và } \Delta S > 0 \Rightarrow \Delta G < 0}$$
Phản ứng LUÔN tự xảy ra ở mọi nhiệt độ!
- Tỏa nhiệt ($\Delta H < 0$) ✓
- Tăng độ hỗn loạn ($\Delta S > 0$) ✓
- Kết quả: $\Delta G$ luôn âm ✓✓✓
Cô Trần Thị Bình
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định
