Trả lời nhanh
Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng: ΔS°298 = ΣS°(sản phẩm) − ΣS°(chất đầu), mỗi giá trị nhân với hệ số cân bằng. Với CH3OH(l) + 3/2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l), theo số liệu ví dụ bên dưới, ΔS° ≈ −80,9 J/K. Giá trị âm vì số mol khí giảm từ 1,5 xuống 1.
Công thức tính biến thiên entropy chuẩn của phản ứng
Entropy (S) đo mức độ hỗn loạn của hệ. Entropy là hàm trạng thái nên biến thiên của phản ứng chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và cuối. Ở điều kiện chuẩn (1 bar, thường xét 298 K), ta dùng công thức:
ΔS°298(pư) = Σ nsp·S°298(sp) − Σ ncđ·S°298(cđ)
- n là hệ số tỉ lượng trong phương trình đã cân bằng.
- S° là entropy mol chuẩn, đơn vị J/(mol·K). Khác với enthalpy tạo thành, S° của đơn chất ở 298 K không bằng 0.
- ΔS° của phản ứng có đơn vị J/K (ứng với phương trình đã viết). Đề cho “1 mol CH3OH” thì viết phương trình sao cho hệ số CH3OH bằng 1, kể cả khi O2 có hệ số phân số.
Bước 1: Viết phương trình đốt cháy 1 mol CH3OH(l)
Methanol cháy hoàn toàn tạo CO2 và nước:
CH3OH(l) + 3/2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l)
Kiểm tra: vế trái có 1 C, 4 H, 1 + 3 = 4 O; vế phải có 1 C, 4 H, 2 + 2 = 4 O. Phương trình cân bằng. Cần ghi đúng trạng thái của nước vì S°(H2O, l) khác nhiều so với S°(H2O, g).
Bước 2: Tra entropy chuẩn
Đề của bạn thường cho sẵn bảng S°. Nếu số liệu khác, hãy thay vào đúng công thức. Dưới đây là bộ số liệu ví dụ thường dùng (làm tròn, J/(mol·K)):
| Chất | CH3OH(l) | O2(g) | CO2(g) | H2O(l) | H2O(g) |
|---|---|---|---|---|---|
| S°298 | 126,8 | 205,0 | 213,6 | 69,9 | 188,7 |
Bước 3: Thay số và tính
Trường hợp nước ở thể lỏng:
- ΣS°(sản phẩm) = 213,6 + 2 × 69,9 = 353,4
- ΣS°(chất đầu) = 126,8 + 3/2 × 205,0 = 126,8 + 307,5 = 434,3
- ΔS° = 353,4 − 434,3 = −80,9 J/K
Trường hợp nước ở thể khí: CH3OH(l) + 3/2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
- ΣS°(sản phẩm) = 213,6 + 2 × 188,7 = 591,0
- ΔS° = 591,0 − 434,3 = +156,7 J/K
Cùng một phản ứng nhưng dấu ΔS° đổi chỉ vì trạng thái nước khác nhau. Đây là điểm các đề hay “gài”.
Giải thích dấu của ΔS°
Mẹo: đếm số mol khí hai vế, vì khí có entropy lớn hơn lỏng, rắn rất nhiều.
| Trường hợp | Mol khí đầu → cuối | Dự đoán |
|---|---|---|
| H2O(l) | 1,5 → 1 (giảm 0,5) | ΔS° < 0 |
| H2O(g) | 1,5 → 3 (tăng 1,5) | ΔS° > 0 |
Dự đoán này khớp với kết quả tính, nên có thể dùng để kiểm tra nhanh đáp số.
Mở rộng: dùng ΔS° để tính ΔG°
Phản ứng tự xảy ra khi ΔG° < 0, với ΔG° = ΔH° − T·ΔS°. Nếu lấy ΔH° của phản ứng đốt cháy methanol lỏng (nước lỏng) cỡ −726 kJ (số ví dụ) và ΔS° = −80,9 J/K = −0,0809 kJ/K thì ΔG° ≈ −726 − 298 × (−0,0809) ≈ −726 + 24,1 ≈ −702 kJ. Giá trị rất âm, nên phản ứng thuận lợi về nhiệt động dù entropy giảm: yếu tố enthalpy chiếm ưu thế.
Lỗi sai thường gặp
- Quên nhân hệ số: tính 1×S°(O2) thay vì 3/2 × S°(O2).
- Đảo thứ tự “đầu − cuối” làm sai dấu.
- Gán S°(O2) = 0 do nhầm với enthalpy tạo thành.
- Lẫn đơn vị: S° tính theo J, còn ΔH thường theo kJ; khi tính ΔG phải đổi cùng đơn vị.
- Dùng nhầm trạng thái H2O(l) và H2O(g).
Bài luyện tập
Bài 1. Tính ΔS° của phản ứng N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g). Cho S° (ví dụ): N2 191,6; H2 130,7; NH3 192,8 J/(mol·K).
Đáp án: ΔS° = 2 × 192,8 − (191,6 + 3 × 130,7) = 385,6 − 583,7 = −198,1 J/K (số mol khí giảm từ 4 xuống 2, nên âm).
Bài 2. Tính ΔS° của phản ứng đốt cháy 1 mol C2H5OH(l): C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l). Cho S° (ví dụ): C2H5OH(l) 160,7; O2 205,0; CO2 213,6; H2O(l) 69,9.
Đáp án: ΣS°(sp) = 2 × 213,6 + 3 × 69,9 = 427,2 + 209,7 = 636,9; ΣS°(cđ) = 160,7 + 615,0 = 775,7; ΔS° = −138,8 J/K.
Bài 3. Không tính, hãy dự đoán dấu ΔS° của CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g).
Đáp án: ΔS° > 0 vì tạo thêm 1 mol khí từ chất rắn.
Câu hỏi thường gặp
Công thức tính biến thiên entropy chuẩn của phản ứng là gì?
ΔS°₂₉₈ = Σ n·S°(sản phẩm) − Σ n·S°(chất đầu), trong đó n là hệ số trong phương trình đã cân bằng và S° có đơn vị J/(mol·K).
Vì sao đốt cháy CH3OH(l) tạo H2O(l) lại có ΔS° âm?
Số mol khí giảm từ 1,5 mol (O2) xuống 1 mol (CO2), còn nước thành chất lỏng có entropy nhỏ, nên hệ trở nên trật tự hơn và ΔS° < 0.
S° của đơn chất như O2 có bằng 0 không?
Không. Ở 298 K, entropy chuẩn của mọi chất, kể cả đơn chất, đều dương (ví dụ O2 khoảng 205 J/(mol·K)). Chỉ enthalpy tạo thành chuẩn của đơn chất bền mới bằng 0.
Nước ở thể khí hay lỏng ảnh hưởng thế nào đến kết quả?
Rất lớn: S° của H2O(g) khoảng 188,7 còn H2O(l) khoảng 69,9 J/(mol·K), nên ΔS° có thể đổi từ âm sang dương. Luôn xem đề cho trạng thái nào.