A2.3 Entropi

NoteDet skal du kunne
  • forklare, hvad entropi er et mål for
  • sammenligne entropien for faste stoffer, væsker og gasser
  • forudsige fortegnet på ΔS⊖ ud fra reaktionsskemaet
  • beregne ΔS⊖ for en reaktion ud fra tabelværdier
  • kommentere resultatet i forhold til reaktionsskemaet og tilstandsformerne

En dråbe frugtfarve breder sig i et glas vand, indtil hele glasset er farvet. Den samler sig aldrig til en dråbe igen. Is smelter på bordet, selv om det koster energi. Der må altså være noget andet end energi, som bestemmer, hvilken vej tingene går. Det andet er entropi.

Hvad er entropi?

Entropi er et mål for, hvor spredt stof og energi er. Den har symbolet S og måles i J/(mol · K).

Jo flere måder partiklerne kan være fordelt på, jo større er entropien. Sidder partiklerne på faste pladser, er der få muligheder. Kan de bevæge sig frit i et stort rum, er der mange. Entropien kaldes derfor også et mål for uorden.

Figur 1: Entropien stiger, når et stof går fra fast stof til væske og videre til gas.

Tre tommelfingerregler rækker langt:

  • En gas har meget større entropi end en væske, og en væske har større entropi end et fast stof.
  • Et opløst stof har større entropi end det samme stof som fast stof, fordi partiklerne er spredt ud i opløsningen.
  • Store molekyler med mange atomer har større entropi end små.

Standardentropien for et stof

Tabellen Termodynamiske data har en standardentropi, S⊖, for hvert stof ved 25 °C.

Stof S⊖ i J/(mol · K)
C(s) 5,7
CaCO3(s) 91,7
H2O(l) 70,0
H2O(g) 188,8
H2(g) 130,7
CO2(g) 213,8

Der er to forskelle fra standardentalpierne:

  • Grundstoffer har ikke S⊖ = 0. Alle stoffer har en entropi, og den er altid positiv for et rent stof.
  • Enheden er J/(mol · K) og ikke kJ/mol. Standardentalpier står i kilojoule, og standardentropier står i joule.

Fortegnet kan forudsiges

Tilvæksten i entropi for en reaktion, ΔS⊖, er positiv, hvis produkterne er mere spredt end reaktanterne. Gasserne betyder langt mest, så fortegnet kan som regel forudsiges ved at tælle gasmolekyler på hver side af reaktionspilen.

Figur 2: Antallet af gasmolekyler før og efter afgør fortegnet på ΔS⊖.
Reaktionen danner ΔS⊖ er
flere gasmolekyler, end den bruger positiv
færre gasmolekyler, end den bruger negativ
lige så mange gasmolekyler, som den bruger tæt på nul

Er der ingen gasser med, ser man på, om faste stoffer bliver til væsker eller opløste stoffer. Så stiger entropien også.

ΔS⊖ for en reaktion

Tilvæksten i entropi beregnes på samme måde som tilvæksten i entalpi:

\[ \Delta S^{\ominus} = \sum S^{\ominus}(\text{produkter}) - \sum S^{\ominus}(\text{reaktanter}) \]

NoteEksempel: fremstilling af ammoniak

Ammoniak til kunstgødning fremstilles af nitrogen og hydrogen. Beregn ΔS⊖ for reaktionen, og kommentér resultatet i forhold til reaktionsskemaet.

Reaktionsskemaet

N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3(g)

Forudsigelse

Der er 4 gasmolekyler til venstre og 2 til højre. Der bliver færre gasmolekyler, så ΔS⊖ må være negativ.

Tabelværdier

N2(g) H2(g) NH3(g)
S⊖ i J/(mol · K) 191,6 130,7 192,8
Koefficient 1 3 2

Formel

\[ \Delta S^{\ominus} = 2 \cdot S^{\ominus}(\mathrm{NH_3(g)}) - \left(S^{\ominus}(\mathrm{N_2(g)}) + 3 \cdot S^{\ominus}(\mathrm{H_2(g)})\right) \]

Beregning

\[ \Delta S^{\ominus} = \left(2 \cdot 192{,}8 - 191{,}6 - 3 \cdot 130{,}7\right)\ \dfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol \cdot K}} = -198{,}1\ \dfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol \cdot K}} \]

Konklusion

ΔS⊖ = −198,1 J/(mol · K). Entropien falder, og det passer med reaktionsskemaet: fire gasmolekyler bliver til to, så stoffet er mindre spredt efter reaktionen end før.

NoteEksempel: kalk brændes

Når kalk brændes, dannes der brændt kalk og carbondioxid. Beregn ΔS⊖, og kommentér resultatet.

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g)

Tabelværdier

CaCO3(s) CaO(s) CO2(g)
S⊖ i J/(mol · K) 91,7 38,1 213,8
Koefficient 1 1 1

Beregning

\[ \Delta S^{\ominus} = \left(38{,}1 + 213{,}8 - 91{,}7\right)\ \dfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol \cdot K}} = 160{,}2\ \dfrac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol \cdot K}} \]

Konklusion

ΔS⊖ = +160,2 J/(mol · K). Entropien stiger, fordi der dannes et gasmolekyle af et fast stof. Der er ingen gasser blandt reaktanterne og ét gasmolekyle blandt produkterne.

Entropien i omgivelserne

Entropien i systemet er kun den halve historie. En exoterm reaktion sender varme ud i omgivelserne, og så stiger entropien dér, fordi energien bliver spredt. En endoterm reaktion trækker varme ind og får entropien i omgivelserne til at falde.

En reaktion kan kun forløbe af sig selv, hvis den samlede entropi i systemet og omgivelserne stiger. Det er termodynamikkens anden hovedsætning. Derfor kan en reaktion godt forløbe, selv om entropien i systemet falder. Den skal bare afgive så meget varme, at entropien i omgivelserne stiger endnu mere.

Det er upraktisk at skulle holde regnskab med omgivelserne. I afsnit A2.4 samles de to bidrag i én størrelse, som kun handler om systemet.

VigtigtTil den skriftlige prøve
  • Vis, hvilke tabelværdier der hører til hvilke stoffer og tilstandsformer.
  • Kommentér fortegnet ud fra det konkrete reaktionsskema: tæl gasmolekylerne på hver side, og nævn tilstandsformerne. En sætning som “der bliver mere uorden” er ikke nok.
  • Husk enheden J/(mol · K).
NoteKort sagt
  • Entropi, S, er et mål for, hvor spredt stof og energi er. Enheden er J/(mol · K).
  • Gasser har meget større entropi end væsker og faste stoffer.
  • ΔS⊖ er summen af produkternes standardentropier minus summen af reaktanternes.
  • Dannes der flere gasmolekyler, end der bruges, er ΔS⊖ positiv. Bliver der færre, er den negativ.
  • En reaktion kan kun forløbe af sig selv, hvis den samlede entropi i systemet og omgivelserne stiger.