Giáo án chuyên đề hoá học 10 chân trời bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

HĐ CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu về khái niệm entropy

- GV trình chiếu một số hình ảnh về

(Hình ảnh từ trật tự trở nên mất trật tự, từ entropy thấp sang entropy cao).

(Hình ảnh từ mất trật tự trở nên trật tự, từ entropy cao chuyển sang entropy thấp).

- GV cho HS tìm hiểu nội dung SGK và tả lời câu hỏi:

+ Khái quát khái niệm entropy, entropy phụ thuộc các yếu tố nào?

+ Đơn vị của entropy thường là gì?

- GV nhấn mạnh: độ tự do chuyển động càng cao thì entropy càng lớn.

- HS trả lời câu hỏi Thảo luận 1, 2:

1. Tại sao khi tăng nhiệt độ lại làm tăng entropy của hệ?

2. Khi chuyển thể của chất từ trạng thái rắn sang lỏng và khí thì entropy của chất tăng hay giảm? Giải thích.

- Từ kết quả của Thảo luận 1, 2. HS hãy khái quát sự phụ thuộc của entropy với nhiệt độ. Đối với một chất, các thể của hệ thay đổi thì entropy thay đổi như thế nào?

 - GV hỏi thêm: So sánh entropy của nước đá, nước lỏng và hơi nước?

(Entropy: nước đá < nước lỏng < hơi nước).

- GV chuẩn hóa kiến thức.

- HS làm Luyện tập theo nhóm đôi:

Quan sát bình đựng  đang bay hơi (a) và bình đựng  đang thăng hoa (b) trong hình bên và cho biết các quá trình trên làm tăng hay giảm entropy? Giải thích.

Nhiệm vụ 2: Tính biến thiên entropy của phản ứng hóa học

- GV giới thiệu về cách tính biến thiên entropy của phản ứng hóa học, bảng 4.1 về giá trị entropy chuẩn một số chất.

- HS đọc Ví dụ 1, yêu cầu HS giải thích, trình bày lại.

- GV cho HS rút ra kiến thức trọng tâm về công thức tính biến thiên entropy trong phản ứng.

- HS làm Luyện tập theo nhóm đôi.

Dựa vào số liệu Bảng 4.1, hãy tính biến thiên entropy chuẩn của các phản ứng sau:

a)  và so sánh giá trị  của phản ứng này với phản ứng ở ví dụ 1. Giải thích.

b)  graphite, . Giải thích tại sao giá trị này lại lớn hơn 0 không đáng kể.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu.

- GV quan sát, hướng dẫn.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

I. Entropy

1. Entropy và mức độ mất trật tự trong hệ vĩ mô

Thảo luận:

1. Khi tăng nhiệt độ thì các phân tử chuyển động hỗn loạn hơn, mức độ mất trật tự của hệ tăng lên làm tăng entropy của hệ.

2. Khi chất chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng và khí, liên kết giữa các hạt càng yếu, dao động của các hạt càng mạnh dẫn đến độ mất trật tự càng cao làm entropy của chất tăng.

Kết luận:

- Entropy là đại lượng đặc trưng cho độ mất trật tự của một hệ ở một trạng thái và điều kiện xác định. Entropy càng lớn hệ càng mất trật tự.

-  Entropy phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, thể của hệ,…

- Đối với cùng một chất, khi chuyển từ thể rắn, lỏng sang khí hoặc tăng nhiệt độ thì entropy của chất sẽ tăng.

- Đơn vị của entropy thường là J/mol.K.

- Giá trị entropy S của một chất xác định ở điều kiện chuẩn (298 K, 1 bar) gọi là entropy chuẩn của chất đó, kí hiệu  (J/mol.K).

Luyện tập:

Các quá trình trong hình làm tăng entropy vì quá trình bay hơi của bromine hay quá trình thăng hoa của iodine làm các phân tử chất chuyển động hỗn loạn hơn, mức độ mất trật tự của hệ tăng nên entropy tăng.

2. Biến thiên entropy trong phản ứng hóa học

- Khi phản ứng hóa học xảy ra:

Ở điều kiện chuẩn (298 K, 1 bar):

- Giá trị entropy chuẩn của các chất được xác định bằng thực nghiệm.

Ví dụ 1 (SGK -tr29)

Kết luận:

Xét phản ứng:

Luyện tập:

a)

Nhận xét: Biến thiên entropy chuẩn của phản ứng này bằng biến thiên entropy chuẩn của ví dụ 1 nhưng ngược dấu.

Giải thích: phản ứng này xảy ra làm số phân tử khí tăng lên, chuyển động các phân tử hỗn loạn hơn, nên entropy của hệ tăng.

b)  graphite,

Nhận xét: Giá trị này lớn hơn 0 không đáng kể vì khi 1 mol  (graphite, s) phản ứng với 1 mol  sinh ra 1 mol  thì mức độ hỗn loạn các phân tử không tăng lên đáng kể, số mol khí trước và sau phản ứng bằng nhau.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS

SẢN PHẨM DỰ KIẾN

Bước 1: Chuyển giao nhiệm vụ:

- GV yêu cầu HS phát biểu về biến thiên enthalpy: Thế nào là biến thiên enthalpy? Khi nào biến thiên enthalpy dương, khi nào âm?

(Biến thiên enthalpy của phản ứng là nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào của phản ứng ở một điều kiện xác định).

Phản ứng toả nhiệt có  và phản ứng thu nhiệt có

- HS thảo luận nhóm đôi, trả lời câu hỏi Thảo luận 3:

Hoà tan vôi sống (  vào nước, phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt? Dự đoán dấu  của phản ứng.

- GV giới thiệu cho HS các yếu tố quyết định một quá trình hóa học có tự xảy ra hay không.

- HS nêu công thức tính biến thiên năng lượng Gibbs, giải thích các yếu tố trong công thức.

- GV chốt lại kiến thức.

- HS nêu các trường hợp xảy ra với giá trị khi đó phản ứng tự xảy ra, không tự xảy ra hay đạt trạng thái cân bằng.

- GV dẫn dắt: sử dụng công thức tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Chúng ta có thể tính được biến thiên năng lượng tự do và dự đoán chiều hướng phản ứng.

- HS thảo luận nhóm đôi, đọc Ví dụ 2. GV hướng dẫn.

+ Tính biến thiên enthalpy của phản ứng.

+ Tính entropy chuẩn của phản ứng.

+ Tính biến thiên năng lượng tự do, sử dụng công thức đã cho.

+ Từ đó xác định chiều hướng phản ứng.

- GV cho HS làm ví dụ thêm.

Ví dụ: Tính biến thiên năng lượng tự do Gibbs của phản ứng.

Cho phản ứng và các số liệu:

 của các chất  lần lượt là: 52,28; -241,82; -235,3.

 của các chất  lần lượt là: 219,6; 188,72; 282.

- GV cho HS đọc lại kiến thức trọng tâm.

- HS thảo luận nhóm làm Vận dụng.

Khi cho mẩu nhỏ sodium (  ) vào chậu thuỷ tinh chứa nước, mẩu sodium tan, có bọt khí xuất hiện, làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu. Giải thích tại sao phản ứng này lại tự xảy ra một cách dễ dàng.

Bước 2: Thực hiện nhiệm vụ:

- HS theo dõi SGK, chú ý nghe, tiếp nhận kiến thức, hoàn thành các yêu cầu, thảo luận nhóm.

- GV: quan sát và trợ giúp HS.

Bước 3: Báo cáo, thảo luận:

- HS giơ tay phát biểu, lên bảng trình bày

- Một số HS khác nhận xét, bổ sung cho bạn.

Bước 4: Kết luận, nhận định: GV tổng quát lưu ý lại kiến thức trọng tâm và yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

II. Năng lượng tự do Gibbs

Thảo luận 3:

Hoà tan vôi sống  vào nước thì phản ứng toả nhiệt .

Bằng thực nghiệm, xác định được có hai yếu tố quyết định một quá trình hóa học có tự xảy ra hay không.

+ : năng lượng của hệ giảm (giảm enthalpy), trở thành hệ bền vững hơn (đó là các phản ứng tỏa nhiệt).

+ : hệ chuyển từ trạng thái có độ mất trật tự thấp sang trạng thái có độ mất trật tự cao hơn (độ tự do cao hơn, làm tăng entropy).

- Khi xét chiều tự xảy ra của phản ứng, phải xem xét cả hai yếu tố và , thông qua biến thiên năng lượng Gibbs () (ở nhiệt độ và áp suất không đổi).

Trong đó:

: biến thiên enthalpy chuẩn của phản ứng ở nhiệt độ T;

: biến thiên entropy chuẩn của phản ứng ở nhiệt độ T;

T: nhiệt độ tại đó xảy ra phản ứng (theo thang Kelvin);

: biến thiên năng lượng tự do Gibbs chuẩn của phản ứng ở nhiệt độ T.

Dựa vào  có thể dự đoán hoặc giải thích được chiều hướng của một phản ứng hóa học ở nhiệt độ T:

+  phản ứng sẽ tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

+  phản ứng đạt trạng thái cân bằng.

+  phản ứng không tự xảy ra ở điều kiện chuẩn, nhiệt độ T.

Ví dụ 2 (SGK -tr30)

Ví dụ:

+ Ở điều kiện tiêu chuẩn:  phản ứng

+ Ở  phản ứng  nên phản ứng xảy ra theo chiều thuận.

Kết luận:

- Ở nhiệt độ T, một phản ứng có  càng âm thì phản ứng tự xảy ra ở điều kiện chuẩn càng thuận lợi và ngược lại.

-  được tính theo công thức:

.

Vận dụng:

- Phản ứng làm tăng nhiệt độ của nước trong chậu, do đó  (toả nhiệt) (1)

- Sodium tan, bọt khí xuất hiện, do đó  (mức độ hỗn loạn của hệ tăng) (2)

- Từ (1) và (2) nhận thấy giá trị  nên phản ứng tự xảy ra một cách dễ dàng.