Đang tải bài học…

AP Chemistry

tính tuyệt đối

absolute

Tính tuyệt đối là tính chất của đại lượng được xác định từ mốc zero tự nhiên, không cần hệ quy chiếu do con người quy ước.

Trong hóa học, nhiều đại lượng được đo bằng cách so sánh với một mốc tham chiếu do con người quy ước, chẳng hạn như nhiệt độ trên thang Xen-xi-út lấy điểm đóng băng của nước làm gốc. Ngược lại, một số đại lượng mang tính tuyệt đối (absolute) vì chúng được xác định từ một mốc zero tự nhiên, không phụ thuộc vào bất kỳ thỏa ước nào. Chính nhờ đặc điểm này, các đại lượng tuyệt đối cho phép nhà hóa học thiết lập những mối quan hệ định lượng chặt chẽ giữa các hệ thống khác nhau.

Cụ thể, ví dụ điển hình nhất là nhiệt độ đo trên thang Ken-vin. Mốc 0 K, gọi là độ không tuyệt đối (absolute zero), tương ứng với trạng thái mà chuyển động phân tử về mặt lý thuyết dừng hoàn toàn. Mối liên hệ giữa thang Ken-vin và thang Xen-xi-út được biểu diễn qua công thức:

$T(\text{K}) = t(°\text{C}) + 273{,}15$

Công thức này cho thấy mọi nhiệt độ trên thang Xen-xi-út đều chuyển đổi sang một giá trị Ken-vin duy nhất, và giá trị Ken-vin luôn dương vì không thể xuống dưới 0 K.

Hơn nữa, một ứng dụng quan trọng khác của khái niệm này là entropi tuyệt đối. Theo định luật ba của nhiệt động lực học, một tinh thể hoàn hảo ở 0 K có entropi bằng không, nhờ đó entropi trở thành đại lượng có thể đo giá trị tuyệt đối thay vì chỉ tính được biến thiên. Do đó, nhà hóa học có thể tra cứu giá trị entropi $S°$ của từng chất ở điều kiện chuẩn và dùng chúng để tính biến thiên entropi của phản ứng.

Ký hiệu

• $T$ — nhiệt độ tuyệt đối (K)
• $S°$ — entropy tuyệt đối ở điều kiện chuẩn

Đơn vịK (nhiệt độ tuyệt đối); J·mol⁻¹·K⁻¹ (entropy tuyệt đối)

Trực giác: Như thang nhiệt Kelvin — vạch 0 ứng với trạng thái các phân tử ngừng chuyển động, một mốc 'không có gì' tự nhiên; khác với thang Celsius, vạch 0 chỉ là điểm nước đông đặc, một mốc do con người chọn.

Công thức

T(\text{K}) = \htmlClass{fp-1}{\htmlClass{fp-0}{t(^\circ\text{C})} + 273.15}

Dùng mỗi khi cần chuyển nhiệt độ từ thang Celsius sang thang Kelvin — bắt buộc trước khi thay vào bất kì biểu thức chứa $T$ như phương trình khí lí, phương trình Arrhenius, hay biểu thức tính biến thiên entropy.

Trong đó

T

Nhiệt độ tuyệt đối trên thang Kelvin — K

t

Nhiệt độ đo trên thang Celsius — °C

Hay hiểu sai

Entropy chuẩn của đơn chất không bằng 0.

Phải nhân $S°$ với hệ số hợp thức trước khi cộng.

Nhiệt độ tuyệt đối trong mọi công thức nhiệt động phải là kelvin.

Đơn vị của $S°$ là J/(mol·K), còn $\Delta H°$ thường là kJ/mol.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phản ứng oxi hóa lưu huỳnh đioxit trong quá trình sản xuất axit sunfuric được biểu diễn bởi phương trình

2\,\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{SO}_3(g)

, với

\Delta S^\circ = -187\ \text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

. Bảng dữ liệu cho biết entropi mol chuẩn tuyệt đối (standard molar entropy) của

\text{O}_2(g)

là

205\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

và của

\text{SO}_3(g)

là

257\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

; giá trị của

\text{SO}_2(g)

bị bỏ trống.

aTính giá trị $S^\circ$ của $\text{SO}_2(g)$ và cho biết đơn vị.
bGiải thích vì sao $\text{O}_2(g)$ có $S^\circ = 205\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ khác không, trong khi nhiệt tạo thành chuẩn (standard enthalpy of formation) của chính chất đó lại bằng $0$ .

1Bước 1: Viết biểu thức tính biến thiên entropi của phản ứng theo các giá trị tuyệt đối trong bảng. Vì mỗi chất đều có một giá trị

S^\circ

riêng chứ không phải một hiệu số, ta chỉ việc lấy tổng bên sản phẩm trừ tổng bên chất phản ứng, mỗi số hạng nhân với hệ số cân bằng:

\Delta S^\circ = \sum n\,S^\circ_{\text{products}} - \sum n\,S^\circ_{\text{reactants}}

Ở đây

n

là hệ số trong phương trình đã cân bằng, còn

S^\circ

là entropi mol chuẩn của từng chất ở

298\ \text{K}

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyỨng dụng nhiệt động · bài “Entropy tuyệt đối và biến thiên entropy” — khoá AP Chemistry

Cần trướctính chất nhiệt độ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

độ không đảm bảo tương đối (relative uncertainty)relative uncertainty

Khác nhau ở đâuĐộ không đảm bảo tuyệt đối mang đơn vị của phép đo, ví dụ ±0,1 g. Độ không đảm bảo tương đối là tỉ lệ phần trăm không thứ nguyên so với giá trị đo.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu báo cáo kết quả đo kèm sai số, học sinh không biết ghi ±0,1 g hay ±2 %

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 21, 65, 67.

Viết ra phương trình tổng quát trước khi thay bất kỳ con số nào.

Kiểm tra dấu của $\Delta S°$ bằng số mol khí hai vế.

Khi đề cho $\Delta S°$ và bảng thiếu một ô, đó là bài giải phương trình bậc nhất.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

2Bước 2: Thay số, đặt ẩn

x = S^\circ(\text{SO}_2)

. Sản phẩm gồm

2

mol

\text{SO}_3

, chất phản ứng gồm

2

mol

\text{SO}_2

và

1

mol

\text{O}_2

-187 = 2(257) - \left[\,2x + 205\,\right]

Vế phải rút gọn thành

514 - 2x - 205 = 309 - 2x

, nên phương trình trở thành

-187 = 309 - 2x

3Bước 3: Giải phương trình bậc nhất:

2x = 309 + 187 = 496

, do đó

x = 248

. Đơn vị phải là

\text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})

chứ không phải

\text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

, vì đây là đại lượng của một chất riêng lẻ chứ không phải của cả phản ứng. Kiểm tra lại:

2(257) - 2(248) - 205 = 514 - 496 - 205 = -187

, khớp với dữ kiện đề bài.

4Bước 4: Với ý (b), chìa khóa nằm ở chỗ entropi có một mốc không thật sự, còn enthalpy thì không. Định luật thứ ba của nhiệt động lực học (third law of thermodynamics) khẳng định tinh thể hoàn hảo ở độ không tuyệt đối (absolute zero) có

S = 0

, nên mọi chất ở nhiệt độ cao hơn đều tích lũy một lượng entropi đo được so với mốc chung đó và luôn dương. Vì vậy

S^\circ(\text{O}_2)

khác không, thậm chí khá lớn do khí có nhiều cách sắp xếp chuyển động.

5Bước 5: Ngược lại, năng lượng tuyệt đối chứa trong liên kết của một chất thì không đo trực tiếp được; ta chỉ đo được nhiệt trao đổi, tức là hiệu số. Do đó người ta phải chọn quy ước lấy đơn chất bền ở trạng thái chuẩn làm mốc và gán cho nó giá trị

0

, nên

\Delta H^\circ_f(\text{O}_2, g) = 0

đúng theo định nghĩa chứ không phải vì oxi "không chứa năng lượng".

$S^\circ(\text{SO}_2, g) = 248\ \text{J}/(\text{mol}\cdot\text{K})$ . Giá trị này là tuyệt đối vì được đo từ mốc chung là tinh thể hoàn hảo ở $0\ \text{K}$ , nên mọi chất bền đều có $S^\circ > 0$ ; trong khi đó $\Delta H^\circ_f$ của $\text{O}_2(g)$ bằng $0$ chỉ vì đơn chất bền được chọn làm mốc quy ước cho thang enthalpy tương đối.

2Ví dụ 2/2

Vẫn với phản ứng

2\,\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{SO}_3(g)

, biết

\Delta H^\circ = -198\ \text{kJ}/\text{mol}_{rxn}

và

\Delta S^\circ = -187\ \text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

. Một học sinh muốn biết phản ứng còn tự diễn biến theo chiều thuận đến nhiệt độ nào, và bạn ấy định thay thẳng số

25

(độ Celsius) vào công thức.

aTính $\Delta G^\circ$ ở $25\ ^\circ\text{C}$ và cho biết phản ứng có tự diễn biến hay không.
bXác định nhiệt độ mà tại đó phản ứng chuyển từ tự diễn biến sang không tự diễn biến, và chỉ ra sai lầm nếu thay $T = 25$ vào công thức.

1Bước 1: Trước hết phải thống nhất đơn vị, vì

\Delta H^\circ

tính bằng kilojoule còn

\Delta S^\circ

tính bằng joule. Đổi

\Delta S^\circ = -187\ \text{J}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K}) = -0{,}187\ \text{kJ}/(\text{mol}_{rxn}\cdot\text{K})

. Nếu quên bước này, kết quả sẽ lệch đúng một nghìn lần.

2Bước 2: Áp dụng

\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\,\Delta S^\circ

với

T

bắt buộc là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng kelvin. Ở

25\ ^\circ\text{C}

ta có

T = 25 + 273 = 298\ \text{K}

, nên

\Delta G^\circ = -198 - (298)(-0{,}187) = -198 + 55{,}7 = -142{,}3\ \text{kJ}/\text{mol}_{rxn}

. Giá trị âm cho biết ở nhiệt độ phòng phản ứng tự diễn biến theo chiều thuận.

3Bước 3: Điểm chuyển hướng là nơi

\Delta G^\circ = 0

, tức

\Delta H^\circ = T\,\Delta S^\circ

. Suy ra

T = \frac{\Delta H^\circ}{\Delta S^\circ} = \frac{-198}{-0{,}187} \approx 1{,}06 \times 10^3\ \text{K}

Vì cả

\Delta H^\circ

và

\Delta S^\circ

đều âm, phản ứng tự diễn biến khi

T < 1{,}06 \times 10^3\ \text{K}

(khoảng

786\ ^\circ\text{C}

) và không còn tự diễn biến khi vượt ngưỡng đó.

4Bước 4: Nếu thay

T = 25

thay vì

298

, ta được

\Delta G^\circ = -198 + (25)(0{,}187) = -193{,}3\ \text{kJ}/\text{mol}_{rxn}

, sai lệch hơn

50\ \text{kJ}

so với đáp án đúng. Nguy hiểm hơn, thang Celsius có giá trị âm và có số không tùy chọn, nên trong nhiều bài tích số

T\,\Delta S^\circ

sẽ đổi dấu và dẫn tới kết luận ngược hoàn toàn về chiều tự diễn biến. Chỉ thang Kelvin mới là thang tuyệt đối, tỉ lệ đúng với động năng chuyển động nhiệt của tiểu phân.

Ở $298\ \text{K}$ thì $\Delta G^\circ \approx -142\ \text{kJ}/\text{mol}_{rxn} < 0$ nên phản ứng tự diễn biến; ranh giới nằm ở $T \approx 1{,}06 \times 10^3\ \text{K}$ , trên nhiệt độ này số hạng $-T\Delta S^\circ$ dương đủ lớn để lấn át $\Delta H^\circ$ âm. Trong mọi phép tính nhiệt động, $T$ luôn phải là nhiệt độ tuyệt đối tính bằng kelvin, vì thang này lấy $0$ tại điểm chuyển động nhiệt dừng hẳn chứ không lấy một mốc quy ước như thang Celsius.

Liên quanđộ không tuyệt đối (sắp có)độ không đảm bảo tuyệt đối (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.