Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Thermodynamics and Electrochemistry · ⁨Nhiệt động lực học và Điện hóa⁩

AP Chemistry · ⁨AP Hóa học⁩ · Topic 9 · ⁨Chủ đề 9⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
8:16

Nhiệt động lực học và Điện hóa

Hai câu đố. Nắm một viên đá: nó tan trong tay bạn, ngay cả khi sự nóng chảy cần năng lượng. Bây giờ hãy nhìn vào kim cương. Mọi viên kim cương đều nên chậm rãi chuyển thành…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

9.1

Introduction to Entropy · ⁨Giới thiệu về Entropy⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.1.A: Identify the sign and relative magnitude of the entropy change associated with chemical or physical processes.

  • 9.1.A.1 Entropy increases when matter becomes more dispersed. For example, the phase change from solid to liquid or from liquid to gas results in a dispersal of matter as the individual particles become freer to move and generally occupy a larger volume. Similarly, for a gas, the entropy increases when there is an increase in volume (at constant temperature), and the gas molecules are able to move within a larger space. For reactions involving gas-phase reactants or products, the entropy generally increases when the total number of moles of gas-phase products is greater than the total number of moles of gas-phase reactants.
  • 9.1.A.2 Entropy increases when energy is dispersed. According to kinetic molecular theory (KMT), the distribution of kinetic energy among the particles of a gas broadens as the temperature increases. As a result, the entropy of the system increases with an increase in temperature.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.1.A: Xác định dấu và độ lớn tương đối của độ biến thiên entropy liên quan đến các quá trình hóa học hoặc vật lý.

  • 9.1.A.1 Entropy tăng lên khi vật chất trở nên phân tán hơn. Ví dụ, quá trình chuyển pha từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí dẫn đến sự phân tán của vật chất khi các hạt riêng lẻ tự do di chuyển hơn và nói chung chiếm thể tích lớn hơn. Tương tự, đối với chất khí, entropy tăng lên khi có sự gia tăng thể tích (ở nhiệt độ không đổi), và các phân tử khí có thể di chuyển trong không gian rộng hơn. Đối với các phản ứng có tham gia chất phản ứng hoặc sản phẩm ở pha khí, entropy thường tăng lên khi tổng số mol sản phẩm ở pha khí lớn hơn tổng số mol chất phản ứng ở pha khí.
  • 9.1.A.2 Entropy tăng lên khi năng lượng được phân tán. Theo thuyết động học phân tử (KMT), sự phân bố năng lượng động học giữa các hạt của chất khí mở rộng khi nhiệt độ tăng. Kết quả là, entropy của hệ thống tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Entropy 熵 $S$ measures the dispersal of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy increases when a substance goes solid → liquid → gas, when a solid dissolves, when gas moles increase, or when temperature rises. More disorder means higher entropy.

Tiếng Việt
Pin gia đình: pin điện hóa chuyển hóa năng lượng tự do hóa học thành công điện
Pin gia đình: pin điện hóa chuyển hóa năng lượng tự do hóa học thành công điện

Entropy $S$ đo lường sự phân tán của năng lượng và vật chất – nói chung, số cách sắp xếp một hệ thống. Entropy tăng khi chất đi từ rắn → lỏng → khí, khi chất rắn tan, khi số mol khí tăng, hoặc khi nhiệt độ tăng. Sự hỗn độn càng nhiều thì entropy càng cao.

Entropy tăng từ rắn sang lỏng rồi đến khí
Entropy tăng từ rắn sang lỏng sang khí
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
Entropy/ˈentrəpi/ Entropy
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ Năng lượng tự do Gibbs
thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/ thuận lợi về mặt nhiệt động lực học
galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/ pin galvanic (volta)
9.2

Absolute Entropy and Entropy Change · ⁨Entropy tuyệt đối và Biến thiên Entropy⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.2.A: Calculate the standard entropy change for a chemical or physical process based on the absolute entropies (standard molar entropies) of the species involved in the process.

  • 9.2.A.1 The entropy change for a process can be calculated from the absolute entropies of the species involved before and after the process occurs.
    • Equation: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.2.A: Tính sự biến thiên entropy chuẩn cho một quá trình hóa học hoặc vật lý dựa trên entropy tuyệt đối (entropy mol chuẩn) của các loài tham gia quá trình đó.

  • 9.2.A.1 Sự biến thiên entropy của một quá trình có thể được tính từ entropy tuyệt đối của các loài tham gia trước và sau khi quá trình diễn ra.
    • Phương trình: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Every substance has a positive absolute entropy $S^\circ$. For a reaction,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

Tiếng Việt

Mọi chất đều có entropy tuyệt đối dương $S^\circ$. Đối với phản ứng,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Dự đoán dấu của nó từ sự thay đổi số mol khí: tạo ra nhiều khí hơn làm tăng entropy ($\Delta S>0$).

9.3

Gibbs Free Energy and Thermodynamic Favorability · ⁨Năng lượng tự do Gibbs và Tính khả thi Nhiệt động lực học⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.3.A: Explain whether a physical or chemical process is thermodynamically favored based on an evaluation of $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.1 The Gibbs free energy change for a chemical process in which all the reactants and products are present in a standard state (as pure substances, as solutions of 1.0 M concentration, or as gases at a pressure of 1.0 atm (or 1.0 bar)) is given the symbol $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.2 The standard Gibbs free energy change for a chemical or physical process is a measure of thermodynamic favorability. Historically, the term "spontaneous" has been used to describe processes for which $\Delta G^{\circ} < 0$. The phrase "thermodynamically favored" is preferred instead so that common misunderstandings (equating "spontaneous" with "suddenly" or "without cause") can be avoided. When $\Delta G^{\circ} < 0$ for the process, it is said to be thermodynamically favored.

  • 9.3.A.3 The standard Gibbs free energy change for a physical or chemical process may also be determined from the standard Gibbs free energy of formation of the reactants and products.

    • Equation: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 In some cases, it is necessary to consider both enthalpy and entropy to determine if a process will be thermodynamically favored. The freezing of water and the dissolution of sodium nitrate are examples of such phenomena.

  • 9.3.A.5 Knowing the values of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ for a process at a given temperature allows $\Delta G^{\circ}$ to be calculated directly.

    • Equation: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 In general, the temperature conditions for a process to be thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$) can be predicted from the signs of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ as shown in the table below:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Symbols $\Delta G^{\circ} < 0$, favored at:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ all $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ no $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ high $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ low $T$

    In cases where $\Delta H^{\circ} < 0$ and $\Delta S^{\circ} > 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). In cases where $\Delta H^{\circ} > 0$ and $\Delta S^{\circ} < 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.3.A: Giải thích xem một quá trình vật lý hay hóa học có thuận lợi về nhiệt động lực học hay không dựa trên việc đánh giá $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.1 Độ biến thiên năng lượng tự do Gibbs cho một quá trình hóa học mà trong đó tất cả các chất phản ứng và sản phẩm đều ở trạng thái chuẩn (như các chất thuần túy, như dung dịch có nồng độ 1.0 M, hoặc như các chất khí ở áp suất 1.0 atm (hoặc 1.0 bar)) được ký hiệu là $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.2 Sự biến thiên năng lượng tự do Gibbs chuẩn cho một quá trình hóa học hoặc vật lý là thước đo tính thuận lợi về nhiệt động lực học. Về mặt lịch sử, thuật ngữ "tự phát" đã được dùng để mô tả các quá trình mà tại đó $\Delta G^{\circ} < 0$. Thay vào đó, cụm từ "thuận lợi về nhiệt động lực học" được ưa chuộng hơn để tránh những hiểu lầm thông thường (đồng nhất "tự phát" với "ngay lập tức" hoặc "không có nguyên nhân"). Khi $\Delta G^{\circ} < 0$ cho quá trình, người ta nói rằng quá trình đó thuận lợi về nhiệt động lực học.

  • 9.3.A.3 Sự biến thiên năng lượng tự do Gibbs chuẩn cho một quá trình vật lý hay hóa học cũng có thể được xác định từ năng lượng tự do Gibbs tạo thành chuẩn của các chất phản ứng và sản phẩm.

    • Phương trình: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 Trong một số trường hợp, cần phải xét cả enthalpy và entropy để xác định xem một quá trình có thuận lợi về nhiệt động lực học hay không. Sự đông đặc của nước và sự tan của natri nitrat là ví dụ về các hiện tượng như vậy.

  • 9.3.A.5 Việc biết các giá trị của $\Delta H^{\circ}$ và $\Delta S^{\circ}$ cho một quá trình ở một nhiệt độ cho trước cho phép tính trực tiếp $\Delta G^{\circ}$.

    • Phương trình: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 Nhìn chung, điều kiện nhiệt độ cho một quá trình thuận lợi về nhiệt động lực học ($\Delta G^{\circ} < 0$) có thể được dự đoán từ dấu của $\Delta H^{\circ}$ và $\Delta S^{\circ}$ như được hiển thị trong bảng dưới đây:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Ký hiệu $\Delta G^{\circ} < 0$, thuận lợi ở:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ mọi $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ không có $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ cao $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ thấp $T$

Trong các trường hợp mà $\Delta H^{\circ} < 0$ và $\Delta S^{\circ} > 0$, không cần tính toán $\Delta G^{\circ}$ để xác định rằng quá trình thuận lợi về nhiệt động lực học ($\Delta G^{\circ} < 0$). Trong các trường hợp mà $\Delta H^{\circ} > 0$ và $\Delta S^{\circ} < 0$, không cần tính toán $\Delta G^{\circ}$ để xác định rằng quá trình không thuận lợi về nhiệt động lực học ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
A process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

Tiếng Việt

Năng lượng tự do Gibbs kết hợp enthalpy và entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
Một quá trình là khả thi về mặt nhiệt động lực học khi $\Delta G<0$. Vì vậy, các phản ứng tỏa nhiệt ($\Delta H<0$) và tăng entropy ($\Delta S>0$) luôn khả thi; khi hai yếu tố này opposing nhau, nhiệt độ sẽ quyết định.

Tính khả thi của phản ứng dựa trên dấu của biến thiên enthalpy và entropy
Tính khả thi của phản ứng dựa trên dấu của biến thiên enthalpy và entropy

Ví dụ minh họa. Một phản ứng có $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ và $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. Nó là phản ứng thu nhiệt (enthalpy bất lợi) nhưng tăng entropy, nên chỉ trở nên khả thi khi đủ nóng. Đặt $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ và đồng bộ hóa đơn vị ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

9.4

Thermodynamic and Kinetic Control · ⁨Kiểm soát Nhiệt động lực học và Động học⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.4.A: Explain, in terms of kinetics, why a thermodynamically favored reaction might not occur at a measurable rate.

  • 9.4.A.1 Many processes that are thermodynamically favored do not occur to any measurable extent, or they occur at extremely slow rates.
  • 9.4.A.2 Processes that are thermodynamically favored, but do not proceed at a measurable rate, are under "kinetic control." High activation energy is a common reason for a process to be under kinetic control. The fact that a process does not proceed at a noticeable rate does not mean that the chemical system is at equilibrium. If a process is known to be thermodynamically favored, and yet does not occur at a measurable rate, it is reasonable to conclude that the process is under kinetic control.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.4.A: Giải thích, theo quan điểm động học, tại sao một phản ứng thuận lợi về nhiệt động lực học có thể không xảy ra với tốc độ đo được.

  • 9.4.A.1 Nhiều quá trình thuận lợi về nhiệt động lực học nhưng không xảy ra ở mức độ nào có thể đo được, hoặc chúng xảy ra với tốc độ cực kỳ chậm.
  • 9.4.A.2 Các quá trình thuận lợi về nhiệt động lực học nhưng không tiến triển với tốc độ đo được nằm dưới "kiểm soát động học." Năng lượng hoạt hóa cao là một lý do phổ biến khiến một quá trình nằm dưới kiểm soát động học. Việc một quá trình không tiến triển với tốc độ đáng kể không có nghĩa là hệ thống hóa học đang ở trạng thái cân bằng. Nếu một quá trình được biết là thuận lợi về nhiệt động lực học, nhưng lại không xảy ra với tốc độ đo được, thì có lẽ kết luận rằng quá trình đó nằm dưới kiểm soát động học.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

$\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy (diamond → graphite). Thermodynamics gives the direction; kinetics gives the speed.

Tiếng Việt

$\Delta G<0$ cho thấy phản ứng có thể xảy ra, chứ không phải nó sẽ xảy ra nhanh. Một phản ứng có thể khả thi về mặt nhiệt động lực học nhưng động học chậm vì năng lượng kích hoạt cao (kim cương → than chì). Nhiệt động lực học đưa ra hướng; động học đưa ra tốc độ.

9.5

Free Energy and Equilibrium · ⁨Năng lượng Tự do và Cân bằng⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.5.A: Explain whether a process is thermodynamically favored using the relationships between $K$, $\Delta G^{\circ}$, and $T$.

  • 9.5.A.1 The phrase "thermodynamically favored" ($\Delta G^{\circ} < 0$) means that the products are favored at equilibrium ($K > 1$) under standard conditions.
  • 9.5.A.2 The equilibrium constant is related to free energy by the equations
    • Equation: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 Connections between $K$ and $\Delta G^{\circ}$ can be made qualitatively through estimation. When $\Delta G^{\circ}$ is near zero, the equilibrium constant will be close to 1. When $\Delta G^{\circ}$ is much larger or much smaller than $RT$, the value of $K$ deviates strongly from 1.
  • 9.5.A.4 Processes with $\Delta G^{\circ} < 0$ favor products (i.e., $K > 1$) and those with $\Delta G^{\circ} > 0$ favor reactants (i.e., $K < 1$).
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.5.A: Giải thích xem một quá trình có thuận lợi về nhiệt động lực học hay không bằng cách sử dụng các mối quan hệ giữa $K$, $\Delta G^{\circ}$ và $T$.

  • 9.5.A.1 Cụm từ "thuận lợi về nhiệt động lực học" ($\Delta G^{\circ} < 0$) có nghĩa là các sản phẩm được ưu tiên ở trạng thái cân bằng ($K > 1$) trong điều kiện chuẩn.
  • 9.5.A.2 Hằng số cân bằng liên hệ với năng lượng tự do qua các phương trình
    • Phương trình: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • Phương trình: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 Các mối liên hệ giữa $K$ và $\Delta G^{\circ}$ có thể thiết lập một cách định tính thông qua ước lượng. Khi $\Delta G^{\circ}$ gần bằng 0, hằng số cân bằng sẽ xấp xỉ 1. Khi $\Delta G^{\circ}$ lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiều so với $RT$, giá trị của $K$ lệch mạnh khỏi 1.
  • 9.5.A.4 Các quá trình có $\Delta G^{\circ} < 0$ ưu tiên sản phẩm (tức là $K > 1$) và các quá trình có $\Delta G^{\circ} > 0$ ưu tiên chất phản ứng (tức là $K < 1$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Free energy links to the equilibrium constant:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

Tiếng Việt

Năng lượng tự do liên hệ với hằng số cân bằng:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
Vì vậy $\Delta G^\circ<0$ dẫn đến $K>1$ (sản phẩm được ưu tiên), và $\Delta G^\circ>0$ dẫn đến $K<1$. Tại cân bằng $\Delta G=0$.

Pin chuyển hóa năng lượng tự do của phản ứng oxi hóa-khử tự phát thành công điện
Pin chuyển hóa năng lượng tự do của phản ứng oxi hóa-khử tự phát thành công điện
9.6

Free Energy of Dissolution · ⁨Năng lượng Tự do của Sự Tan⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.6.A: Explain the relationship between the solubility of a salt and changes in the enthalpy and entropy that occur in the dissolution process.

  • 9.6.A.1 The free energy change ($\Delta G^{\circ}$) for dissolution of a substance reflects a number of factors: the breaking of the intermolecular interactions that hold the solid together, the reorganization of the solvent around the dissolved species, and the interaction of the dissolved species with the solvent. It is possible to estimate the sign and relative magnitude of the enthalpic and entropic contributions to each of these factors. However, making predictions for the total change in free energy of dissolution can be challenging due to the cancellations among the free energies associated with the three factors cited.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.6.A: Giải thích mối quan hệ giữa độ tan của một muối và sự biến thiên enthalpy và entropy xảy ra trong quá trình tan.

  • 9.6.A.1 Sự thay đổi năng lượng tự do ($\Delta G^{\circ}$) khi hòa tan một chất phản ánh nhiều yếu tố: sự phá vỡ các tương tác liên phân tử giữ cho chất rắn kết hợp, sự tái tổ chức dung môi xung quanh các loài đã hòa tan, và tương tác của các loài đã hòa tan với dung môi. Có thể ước tính dấu và độ lớn tương đối của các đóng góp enthalpy và entropy vào mỗi yếu tố này. Tuy nhiên, việc dự đoán sự thay đổi tổng thể năng lượng tự do của quá trình hòa tan có thể khó khăn do sự triệt tiêu giữa các năng lượng tự do liên quan đến ba yếu tố nêu trên.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

Tiếng Việt

Việc một muối tan hay không phụ thuộc vào biến thiên năng lượng tự do của quá trình tan. Sự tan thường làm tăng entropy (rắn có trật tự → ion phân tán) nhưng có thể tốn enthalpy; dấu của $\Delta G$ (và do đó $K_{sp}$) suy ra từ $\Delta H - T\Delta S$.

9.7

Coupled Reactions · ⁨Phản ứng Coupled (Gắn nối)⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.7.A: Explain the relationship between external sources of energy or coupled reactions and their ability to drive thermodynamically unfavorable processes.

  • 9.7.A.1 An external source of energy can be used to make a thermodynamically unfavorable process occur. Examples include:
    • 9.7.A.1.i Electrical energy to drive an electrolytic cell or charge a battery.
    • 9.7.A.1.ii Light to drive the overall conversion of carbon dioxide to glucose in photosynthesis.
  • 9.7.A.2 A desired product can be formed by coupling a thermodynamically unfavorable reaction that produces that product to a favorable reaction (e.g., the conversion of $ATP$ to $ADP$ in biological systems). In the coupled system, the individual reactions share one or more common intermediates. The sum of the individual reactions produces an overall reaction that achieves the desired outcome and has $\Delta G^{\circ} < 0$.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.7.A: Giải thích mối quan hệ giữa nguồn năng lượng bên ngoài hoặc các phản ứng ghép nối và khả năng thúc đẩy các quá trình không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học.

  • 9.7.A.1 Một nguồn năng lượng bên ngoài có thể được sử dụng để khiến một quá trình không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học xảy ra. Các ví dụ bao gồm:
    • 9.7.A.1.i Điện năng để vận hành tế bào điện phân hoặc sạc pin.
    • 9.7.A.1.ii Ánh sáng để thúc đẩy quá trình chuyển hóa tổng quát carbon dioxide thành glucose trong quang hợp.
  • 9.7.A.2 Sản phẩm mong muốn có thể được hình thành bằng cách ghép nối một phản ứng không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học tạo ra sản phẩm đó với một phản ứng thuận lợi (ví dụ: sự chuyển hóa $ATP$ thành $ADP$ trong các hệ thống sinh học). Trong hệ thống ghép nối, các phản ứng riêng lẻ chia sẻ một hoặc nhiều trung gian chung. Tổng hợp của các phản ứng riêng lẻ tạo ra một phản ứng tổng thể đạt được kết quả mong muốn và có $\Delta G^{\circ} < 0$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

Tiếng Việt

Một phản ứng bất lợi ($\Delta G>0$) có thể được thúc đẩy bằng cách coupling nó với một phản ứng thuận lợi ($\Delta G<0$) chia sẻ cùng trung gian, miễn là tổng có $\Delta G<0$. Đây là cách tế bào sử dụng ATP để cung cấp năng lượng cho các quá trình vốn bất lợi.

9.8

Galvanic and Electrolytic Cells · ⁨Pin Galvanic và Pin Điện phân⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.8.A: Explain the relationship between the physical components of an electrochemical cell and the overall operational principles of the cell.

  • 9.8.A.1 Each component of an electrochemical cell (electrodes, solutions in the half-cells, salt bridge, voltage/current measuring device) plays a specific role in the overall functioning of the cell. The operational characteristics of the cell (galvanic vs. electrolytic, direction of electron flow, reactions occurring in each half-cell, change in electrode mass, evolution of a gas at an electrode, ion flow through the salt bridge) can be described at both the macroscopic and particulate levels.
  • 9.8.A.2 Galvanic, sometimes called voltaic, cells involve a thermodynamically favored reaction, whereas electrolytic cells involve a thermodynamically unfavored reaction. Visual representations of galvanic and electrolytic cells are tools of analysis to identify where half-reactions occur and in what direction current flows.
  • 9.8.A.3 For all electrochemical cells, oxidation occurs at the anode and reduction occurs at the cathode.
    • Exclusion statement: Labeling an electrode as positive or negative will not be assessed on the AP Exam.
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.8.A: Giải thích mối quan hệ giữa các thành phần vật lý của một tế bào điện hóa và nguyên lý hoạt động tổng quát của tế bào đó.

  • 9.8.A.1 Mỗi thành phần của tế bào điện hóa (điện cực, dung dịch trong các bán tế bào, cầu muối, thiết bị đo điện áp/dòng điện) đóng vai trò cụ thể trong hoạt động tổng thể của tế bào. Các đặc điểm vận hành của tế bào (galvanic so với điện phân, hướng dòng electron, các phản ứng xảy ra trong mỗi bán tế bào, sự thay đổi khối lượng điện cực, sự giải phóng khí tại điện cực, dòng ion qua cầu muối) có thể được mô tả ở cả cấp độ vĩ mô và cấp độ hạt.
  • 9.8.A.2 Tế bào galvanic, đôi khi gọi là tế bào voltaic, liên quan đến một phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động lực học, trong khi tế bào điện phân liên quan đến một phản ứng không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học. Các biểu diễn trực quan của tế bào galvanic và điện phân là công cụ phân tích để xác định nơi các bán phản ứng xảy ra và chiều dòng điện chảy như thế nào.
  • 9.8.A.3 Đối với tất cả các tế bào điện hóa, quá trình oxi hóa xảy ra ở anode và quá trình khử xảy ra ở cathode.
    • Lưu ý loại trừ: Việc gán nhãn cho điện cực là dương hay âm sẽ không được đánh giá trong kỳ thi AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
The galvanic cell

Redox reactions can move electrons through a wire:

  • A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
  • An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

In both, oxidation happens at the anode 阳极 and reduction at the cathode 阴极.

Tiếng Việt
Pin galvanic

Phản ứng oxi hóa-khử có thể di chuyển electron qua dây dẫn:

Pin galvanic với cầu muối và vôn kế
Pin galvanic với cầu muối và vôn kế
  • Một pin galvanic (voltaic) sử dụng một phản ứng thuận lợi ($\Delta G<0$) để tạo ra điện – hay còn gọi là pin.
  • Một pin điện phân sử dụng điện để buộc một phản ứng không thuận lợi ($\Delta G>0$).

Trong cả hai loại, oxy hóa xảy ra ở anode và khử xảy ra ở cathode.

Pin thương mại: các pin galvanic chuyển đổi năng lượng tự do hóa học thành công cơ học
Pin thương mại: các pin galvanic chuyển đổi năng lượng tự do hóa học thành công cơ học
Explore · ⁨Khám phá⁩

Transfer electrons in a cell · ⁨Chuyển electron trong tế bào⁩

In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other. · ⁨Trong tế bào galvanic, một phản ứng redox tự phát đẩy electron qua dây dẫn, thực hiện công việc điện; oxy hóa xảy ra ở một cực, khử xảy ra ở cực kia.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
anode/ˈænəʊd/ anode
cathode/ˈkæθəʊd/ cathode
cell potential/sel pəˈtenʃl/ thế pin
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ Phương trình Nernst
9.9

Cell Potential and Free Energy · ⁨Điện thế Pin và Năng lượng Tự do⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.9.A: Explain whether an electrochemical cell is thermodynamically favored, based on its standard cell potential and the constituent half-reactions within the cell.

  • 9.9.A.1 Electrochemistry encompasses the study of redox reactions that occur within electrochemical cells. The reactions are either thermodynamically favored (resulting in a positive voltage) or thermodynamically unfavored (resulting in a negative voltage and requiring an externally applied potential for the reaction to proceed).
  • 9.9.A.2 The standard cell potential of electrochemical cells can be calculated by identifying the oxidation and reduction half-reactions and their respective standard reduction potentials.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (standard Gibbs free energy change) is proportional to the negative of the cell potential for the redox reaction from which it is constructed. Thus, a cell with a positive $E^{\circ}$ involves a thermodynamically favored reaction, and a cell with a negative $E^{\circ}$ involves a thermodynamically unfavored reaction.
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.9.A: Giải thích liệu một tế bào điện hóa có thuận lợi về mặt nhiệt động lực học hay không, dựa trên điện thế tế bào chuẩn và các bán phản ứng cấu thành bên trong tế bào.

  • 9.9.A.1 Điện hóa bao gồm nghiên cứu các phản ứng oxi hóa-khử xảy ra trong các tế bào điện hóa. Các phản ứng này hoặc thuận lợi về mặt nhiệt động lực học (kết quả là điện áp dương) hoặc không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học (kết quả là điện áp âm và đòi hỏi điện thế bên ngoài được áp dụng để phản ứng tiếp tục diễn ra).
  • 9.9.A.2 Điện thế tế bào chuẩn của các tế bào điện hóa có thể được tính toán bằng cách xác định các bán phản ứng oxi hóa và khử cùng các thế khử chuẩn tương ứng của chúng.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs chuẩn) tỷ lệ thuận với số âm của điện thế tế bào từ đó nó được xây dựng. Do đó, một tế bào có $E^{\circ}$ dương liên quan đến một phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động lực học, và một tế bào có $E^{\circ}$ âm liên quan đến một phản ứng không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học.
    • Phương trình: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction.

Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
It is positive, so the reaction is spontaneous and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

Tiếng Việt

Điện thế pin $E^\circ_{\text{cell}}$ đo lực đẩy bằng đơn vị volt, được tính từ thế khử chuẩn ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). Nó liên hệ với năng lượng tự do qua

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
trong đó $n$ là số mol electron và $F$ là hằng số Faraday. Một giá trị $E^\circ_{\text{cell}}$ dương có nghĩa là phản ứng thuận lợi (galvanic).

Dãy điện cực chuẩn của các thế điện cực tiêu chuẩn
Dãy điện hóa của thế điện cực chuẩn

Ví dụ minh họa. Một pin ghép cathode đồng ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) với anode kẽm ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). Điện thế của pin là

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
Giá trị này dương, nên phản ứng tự phát và pin (một pin Daniell) hoạt động như một nguồn điện.

9.10

Cell Potential Under Nonstandard Conditions · ⁨Điện thế Pin trong Điều kiện Không Chuẩn⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.10.A: Explain the relationship between deviations from standard cell conditions and changes in the cell potential.

  • 9.10.A.1 In a real system under nonstandard conditions, the cell potential will vary depending on the concentrations of the active species. The cell potential is a driving force toward equilibrium; the farther the reaction is from equilibrium, the greater the magnitude of the cell potential.

  • 9.10.A.2 Equilibrium arguments such as Le Châtelier's principle do not apply to electrochemical systems, because the systems are not in equilibrium.

  • 9.10.A.3 The standard cell potential $E^{\circ}$ corresponds to the standard conditions of $Q = 1$. As the system approaches equilibrium, the magnitude (i.e., absolute value) of the cell potential decreases, reaching zero at equilibrium (when $Q = K$). Deviations from standard conditions that take the cell further from equilibrium than $Q = 1$ will increase the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. Deviations from standard conditions that take the cell closer to equilibrium than $Q = 1$ will decrease the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. In concentration cells, the direction of spontaneous electron flow can be determined by considering the direction needed to reach equilibrium.

  • 9.10.A.4 Algorithmic calculations using the Nernst equation are insufficient to demonstrate an understanding of electrochemical cells under nonstandard conditions. However, students should qualitatively understand the effects of concentration on cell potential and use conceptual reasoning, including the qualitative use of the Nernst equation:

    • Equation: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

    to solve problems.

Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.10.A: Giải thích mối quan hệ giữa sự lệch khỏi điều kiện pin tiêu chuẩn và sự thay đổi của điện thế pin.

  • 9.10.A.1 Trong một hệ thực tế dưới điều kiện không tiêu chuẩn, điện thế pin sẽ thay đổi tùy thuộc vào nồng độ của các loài hoạt động. Điện thế pin là lực đẩy tiến tới cân bằng; càng xa cân bằng thì độ lớn của điện thế pin càng lớn.

  • 9.10.A.2 Các lập luận cân bằng như nguyên lý Le Châtelier không áp dụng cho các hệ điện hóa, vì các hệ này không ở trạng thái cân bằng.

  • 9.10.A.3 Điện thế tế bào chuẩn $E^{\circ}$ tương ứng với điều kiện chuẩn của $Q = 1$. Khi hệ thống tiến tới cân bằng, độ lớn (tức là giá trị tuyệt đối) của điện thế tế bào giảm xuống, đạt về không tại cân bằng (khi $Q = K$). Sự lệch khỏi điều kiện chuẩn khiến tế bào xa cân bằng hơn so với $Q = 1$ sẽ làm tăng độ lớn của điện thế tế bào so với $E^{\circ}$. Sự lệch khỏi điều kiện chuẩn khiến tế bào gần cân bằng hơn so với $Q = 1$ sẽ làm giảm độ lớn của điện thế tế bào so với $E^{\circ}$. Trong tế bào nồng độ, chiều dòng electron tự phát có thể được xác định bằng cách xem xét chiều cần thiết để đạt được cân bằng.

  • 9.10.A.4 Các phép tính thuật toán sử dụng phương trình Nernst là không đủ để chứng minh sự hiểu biết về các hệ điện hóa trong điều kiện không tiêu chuẩn. Tuy nhiên, học sinh cần hiểu định tính các tác động của nồng độ lên điện thế pin và sử dụng tư duy khái niệm, bao gồm việc sử dụng định tính phương trình Nernst:

    • Phương trình: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

    để giải quyết các bài toán.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English

Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier predicts.

Tiếng Việt

Khi xa điều kiện chuẩn, điện thế sẽ thay đổi theo nồng độ – phương trình Nernst (về mặt định tính): khi chất tham gia bị tiêu thụ, $Q$ tăng và $E_{\text{cell}}$ giảm, đạt đến zero tại trạng thái cân bằng (pin hết pin). Thay đổi nồng độ sẽ làm dịch chuyển $E_{\text{cell}}$ theo cách mà Le Chatelier dự đoán.

9.11

Electrolysis and Faraday's Law · ⁨Điện phân và Định luật Faraday⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English

Learning Objective 9.11.A: Calculate the amount of charge flow based on changes in the amounts of reactants and products in an electrochemical cell.

  • 9.11.A.1 Faraday's laws can be used to determine the stoichiometry of the redox reaction occurring in an electrochemical cell with respect to the following:
    • 9.11.A.1.i Number of electrons transferred
    • 9.11.A.1.ii Mass of material deposited on or removed from an electrode (as in electroplating)
    • 9.11.A.1.iii Current
    • 9.11.A.1.iv Time elapsed
    • 9.11.A.1.v Charge of ionic species
    • Equation: $I = q/t$
Tiếng Việt

Mục tiêu học tập 9.11.A: Tính lượng điện tích di chuyển dựa trên sự thay đổi số mol của chất phản ứng và sản phẩm trong pin điện hóa.

  • 9.11.A.1 Định luật Faraday có thể được sử dụng để xác định tỉ lệ stoichiometric của phản ứng oxi hóa - khử xảy ra trong pin điện hóa liên quan đến các yếu tố sau:
    • 9.11.A.1.i Số electron đã chuyển
    • 9.11.A.1.ii Khối lượng vật liệu lắng đọng hoặc bị loại bỏ khỏi điện cực (như trong mạ điện)
    • 9.11.A.1.iii Cường độ dòng điện
    • 9.11.A.1.iv Thời gian trôi qua
    • 9.11.A.1.v Điện tích của các loài ion
    • Phương trình: $I = q/t$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Nguồn: Mô tả Khóa học và Bài thi College Board AP⁩

English
Electrolysis

In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the half-reaction's electron ratio to get moles (and mass) of product.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Tiếng Việt
Điện phân

Trong điện phân, lượng điện tích đi qua xác định lượng chất được lắng đọng hoặc tạo thành – định luật Faraday. Chuyển đổi dòng điện × thời gian thành điện tích, điện tích sang số mol electron ($F=96{,}485$ C/mol), sau đó dùng tỷ lệ electron của phản ứng bán phần để tìm số mol (và khối lượng) sản phẩm.

Điện phân: ion di chuyển đến các điện cực và bị khử/oxid hóa
Điện phân: ion di chuyển về các điện cực và bị giải phóng

Ví dụ minh họa. Dòng điện $2.0\ \text{A}$ chạy trong $30\ \text{minutes}$ qua dung dịch đồng(II) sunfat ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). Lượng đồng được lắng đọng là bao nhiêu? Điện lượng là $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, tương đương $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ mol electron. Vì mỗi nguyên tử Cu cần $2$ electron, nên tạo thành $0.0187\ \text{mol}$ mol Cu, có khối lượng là $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Electrolyse a molten salt · ⁨Điện phân muối nóng chảy⁩

Electrolysis uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited. · ⁨Điện phân sử dụng dòng điện để đẩy một phản ứng không tự phát: ion dương nhận electron tại catot, ion âm mất electron tại anot. Điện tích quyết định lượng chất lắng đọng.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ pin điện phân
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ điện phân
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Định luật Faraday
9.11

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
  • Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
  • Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
  • In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
  • In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).
Tiếng Việt
  • Một quá trình là thuận lợi về mặt nhiệt động lực học khi $\Delta G<0$; kết hợp enthalpy và entropy thông qua $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (chú ý khớp đơn vị — kJ so với J).
  • Entropy tăng khi chuyển pha rắn→lỏng→khí và khi có nhiều mol khí hơn được tạo thành.
  • Thuận lợi không có nghĩa là nhanh — năng lượng kích hoạt cao có thể khiến một phản ứng $\Delta G<0$ diễn ra cực kỳ chậm (kiểm soát động học).
  • Trong điện hóa, một giá trị $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ dương có nghĩa là pin tự phát (galvanic); oxy hóa xảy ra ở anode, khử xảy ra ở cathode.
  • Trong điện phân, lượng điện tích đi qua ($Q=It$) xác định lượng chất lắng đọng (định luật Faraday).

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in AP Chemistry · ⁨AP Hóa học⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong AP Chemistry · ⁨AP Hóa học⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP