TÀI LIỆU HỌC TẬP: NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ KHẢ NĂNG TỰ DIỄN BIẾN CỦA PHẢN ỨNG (LỚP 12)

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Các khái niệm cơ bản

• Nội năng (U): Là tổng năng lượng của hệ, bao gồm động năng và thế năng của các hạt cấu tạo hệ.
  • ΔU = U_cuối - U_đầu
  • Đơn vị: J hoặc kJ
• Entanpi (H): Là nhiệt dung đẳng áp của hệ.
  • H = U + pV (p: áp suất, V: thể tích)
  • ΔH = H_cuối - H_đầu
  • Phản ứng tỏa nhiệt: ΔH < 0
  • Phản ứng thu nhiệt: ΔH > 0
  • Đơn vị: J hoặc kJ
• Entropi (S): Là độ đo sự hỗn loạn của hệ.
  • ΔS = S_cuối - S_đầu
  • Entropi càng lớn, hệ càng hỗn loạn.
  • Đơn vị: J/K hoặc kJ/K
• Năng lượng Gibbs (G): Là hàm trạng thái kết hợp entanpi và entropi.
  • G = H - TS (T: nhiệt độ tuyệt đối, K)
  • ΔG = G_cuối - G_đầu
  • Đơn vị: J hoặc kJ

2. Biến thiên năng lượng Gibbs (ΔG) và khả năng tự diễn biến của phản ứng

• ΔG: Biến thiên năng lượng Gibbs là hiệu ứng tổng hợp của biến thiên entanpi (ΔH) và biến thiên entropi (ΔS).

  ΔG = ΔH - TΔS
  

• Điều kiện tự diễn biến của phản ứng:

  • ΔG < 0: Phản ứng tự diễn biến theo chiều thuận.
  • ΔG > 0: Phản ứng không tự diễn biến theo chiều thuận (diễn biến theo chiều nghịch).
  • ΔG = 0: Phản ứng ở trạng thái cân bằng.

3. Ảnh hưởng của ΔH, ΔS và T đến khả năng tự diễn biến

ΔH	ΔS	ΔG = ΔH - TΔS	Kết luận	Ví dụ
< 0	> 0	Luôn < 0	Phản ứng tự diễn biến ở mọi nhiệt độ	Đốt cháy nhiên liệu, phản ứng nổ
> 0	< 0	Luôn > 0	Phản ứng không tự diễn biến ở mọi nhiệt độ	Phân hủy nước thành H<sub>2</sub> và O<sub>2</sub> (cần cung cấp năng lượng)
< 0	< 0	ΔG < 0 ở T thấp; ΔG > 0 ở T cao	Phản ứng tự diễn biến ở nhiệt độ thấp; không tự diễn biến ở nhiệt độ cao. Cần tính T = ΔH/ΔS để xác định khoảng nhiệt độ.	N<sub>2</sub>(g) + 3H<sub>2</sub>(g) ⇌ 2NH<sub>3</sub>(g) (phản ứng tổng hợp NH<sub>3</sub>)
> 0	> 0	ΔG < 0 ở T cao; ΔG > 0 ở T thấp	Phản ứng tự diễn biến ở nhiệt độ cao; không tự diễn biến ở nhiệt độ thấp. Cần tính T = ΔH/ΔS để xác định khoảng nhiệt độ.	CaCO<sub>3</sub>(r) → CaO(r) + CO<sub>2</sub>(g) (phản ứng nhiệt phân đá vôi)

II. BÀI TẬP VÍ DỤ

1. Ví dụ 1:

Cho phản ứng:

2SO_2(g) + O_2(g) ⇌ 2SO_3(g)

Biết ΔH°₂₉₈ = -198 kJ và ΔS°₂₉₈ = -190 J/K. Xác định xem phản ứng có tự diễn biến ở 298 K hay không.

Giải:

Tính ΔG°₂₉₈:

ΔG°_{298} = ΔH°_{298} - TΔS°_{298}
        = -198 kJ - (298 K * (-190 J/K))
        = -198 kJ - (298 K * (-0.190 kJ/K))
        = -198 kJ + 56.62 kJ
        = -141.38 kJ

Vì ΔG°₂₉₈ < 0 nên phản ứng tự diễn biến ở 298 K.

2. Ví dụ 2:

Cho phản ứng:

N_2O_4(g) ⇌ 2NO_2(g)

Biết ΔH° = 58 kJ và ΔS° = 176 J/K. Xác định nhiệt độ tối thiểu để phản ứng tự diễn biến.

Giải:

Để phản ứng tự diễn biến, ΔG < 0:

ΔG = ΔH - TΔS < 0

TΔS > ΔH

T > ΔH/ΔS

T > (58 kJ) / (0.176 kJ/K)

T > 329.5 K

Vậy nhiệt độ tối thiểu để phản ứng tự diễn biến là 329.5 K.

3. Ví dụ 3:

Xét phản ứng tổng hợp amoniac:

N_2(g) + 3H_2(g) ⇌ 2NH_3(g)

Biết ΔH < 0 và ΔS < 0. Phản ứng thuận lợi ở nhiệt độ cao hay thấp?

Giải:

Vì ΔH < 0 và ΔS < 0, theo bảng trên, phản ứng tự diễn biến ở nhiệt độ thấp.

III. CÁC DẠNG BÀI TẬP THƯỜNG GẶP

1. Tính ΔG và xét khả năng tự diễn biến: Cho ΔH, ΔS, T, yêu cầu tính ΔG và kết luận về khả năng tự diễn biến.
2. Xác định khoảng nhiệt độ tự diễn biến: Cho ΔH, ΔS, yêu cầu xác định khoảng nhiệt độ mà phản ứng tự diễn biến.
3. So sánh khả năng tự diễn biến của các phản ứng: Cho các phản ứng với ΔH, ΔS khác nhau, yêu cầu so sánh khả năng tự diễn biến.
4. Bài tập trắc nghiệm lý thuyết: Các câu hỏi về khái niệm, định nghĩa, điều kiện tự diễn biến.

IV. BÀI TẬP LUYỆN TẬP

1. Cho phản ứng:

   H_2(g) + I_2(g) ⇌ 2HI(g)
   

   Biết ΔH°₂₉₈ = -9.4 kJ và ΔS°₂₉₈ = -8.1 J/K. Phản ứng có tự diễn biến ở 298 K không?

2. Cho phản ứng:

   2H_2O_2(l) → 2H_2O(l) + O_2(g)
   

   Biết ΔH° = -196 kJ và ΔS° = 126 J/K. Phản ứng tự diễn biến ở điều kiện nào?

3. Cho phản ứng:

   CO(g) + 2H_2(g) ⇌ CH_3OH(g)
   

   Biết ΔH < 0 và ΔS < 0. Để tăng hiệu suất phản ứng, cần thực hiện ở nhiệt độ cao hay thấp?

4. Tính biến thiên năng lượng Gibbs của phản ứng sau ở 25°C:

   2NH_3(g) → N_2(g) + 3H_2(g)
   

   Biết ΔH°₂₉₈ = 92.2 kJ và ΔS°₂₉₈ = 198.2 J/K. Phản ứng có tự diễn biến ở 25°C không?

5. Xác định nhiệt độ tối thiểu để phản ứng sau tự diễn biến:

   C(s) + H_2O(g) → CO(g) + H_2(g)
   

   Biết ΔH° = 131 kJ và ΔS° = 134 J/K.

V. LƯU Ý KHI GIẢI BÀI TẬP

1. Đảm bảo đơn vị của ΔH và ΔS tương thích (thường chuyển ΔS về kJ/K).
2. Sử dụng nhiệt độ tuyệt đối (K).
3. Khi tính nhiệt độ giới hạn, cần chú ý đến dấu của ΔH và ΔS để xác định khoảng nhiệt độ tự diễn biến.
4. Nắm vững điều kiện ΔG < 0, ΔG > 0, ΔG = 0 để kết luận về khả năng tự diễn biến.

Chúc các bạn học tốt!