Bài học

Năng lượng liên kết và công thức tính ΔrH°

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu đúng định nghĩa năng lượng liên kết $E_b$ , viết đúng công thức $\Delta_rH^{\circ} = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành})$ , và áp dụng cho phản ứng giữa các chất khí.

Sau bài này, em phát biểu đúng định nghĩa năng lượng liên kết $E_b$, viết đúng công thức $\Delta_rH^{\circ} = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành})$, và áp dụng cho phản ứng giữa các chất khí.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 4 (Liên kết hoá học), em đã vẽ được công thức Lewis và đếm số liên kết trong phân tử đơn giản (H2O, CO2, N2). Ở Chương 1 bài này, em cũng đã biết nguyên lí gốc: phá vỡ liên kết CẦN năng lượng, hình thành liên kết GIẢI PHÓNG năng lượng. Bài này biến hai ý đó thành một công thức tính toán cụ thể.

Khởi động

Phản ứng giữa khí hydrogen và khí chlorine tạo khí hydrogen chloride tỏa nhiệt mạnh — mạnh đến mức có thể gây nổ khi có ánh sáng mạnh chiếu vào. Không cần bảng ΔfH°, ta vẫn tính được $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng này chỉ từ năng lượng cần để phá vỡ và hình thành từng liên kết.

Kiến thức trọng tâm

Năng lượng liên kết $E_b$ của một liên kết là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ 1 mol liên kết đó ở thể khí, tách thành các nguyên tử ở thể khí — giá trị này LUÔN DƯƠNG, vì phá vỡ liên kết luôn cần nhận năng lượng, không phụ thuộc chất đó tỏa hay thu nhiệt khi phản ứng.

Một phản ứng hoá học, xét ở cấp độ liên kết, gồm hai giai đoạn: phá vỡ hết liên kết trong chất đầu (cần năng lượng, tổng cộng dương) rồi hình thành liên kết mới trong sản phẩm (giải phóng năng lượng, coi như âm so với bước phá vỡ). Hiệu của hai bước đó chính là $\Delta_rH^{\circ}$ :

$\Delta_rH^{\circ} = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành})$

trong đó mỗi $E_b$ nhân với ĐÚNG SỐ liên kết loại đó có trong phân tử (ví dụ CH4 có 4 liên kết C–H, không phải 1). Nếu bước phá vỡ đòi năng lượng nhiều hơn bước hình thành trả lại, hiệu số dương — phản ứng thu nhiệt; ngược lại, hiệu số âm — phản ứng tỏa nhiệt.

Điều kiện áp dụng — đây là điểm học sinh hay bỏ qua nhất: công thức trên chỉ đúng khi TẤT CẢ chất, cả chất đầu lẫn sản phẩm, đều ở THỂ KHÍ, vì $E_b$ được đo cho liên kết trong phân tử khí. Nếu phản ứng có chất rắn hoặc chất lỏng (như H2O(l)), phải chuyển sang phương pháp enthalpy tạo thành ở Chương 3, hoặc cộng thêm năng lượng chuyển thể — phần này vượt khỏi phạm vi bài học.

Một số giá trị $E_b$ (kJ/mol) thường gặp: $E_b(H-H)=436$ ; $E_b(Cl-Cl)=243$ ; $E_b(H-Cl)=432$ ; $E_b(C-H)=413$ ; $E_b(O=O)=498$ ; $E_b(C=O$ trong $CO_2)=799$ ; $E_b(O-H)=467$ .

**Năng lượng liên kết** $E_b$ của một liên kết là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ 1 mol liên kết đó ở thể khí, tách thành các nguyên tử ở thể khí — giá trị này LUÔN DƯƠNG, vì phá vỡ liên kết luôn cần nhận năng lượng, không phụ thuộc chất đó tỏa hay thu nhiệt khi phản ứng. Một phản ứng hoá học, xét ở cấp độ liên kết, gồm hai giai đoạn: phá vỡ hết liên kết trong chất đầu (cần năng lượng, tổng cộng dương) rồi hình thành liên kết mới trong sản phẩm (giải phóng năng lượng, coi như âm so với bước phá vỡ). Hiệu của hai bước đó chính là $\Delta_rH^{\circ}$: $$\Delta_rH^{\circ} = \sum E_b(\text{liên kết bị phá vỡ}) - \sum E_b(\text{liên kết hình thành})$$ trong đó mỗi $E_b$ nhân với ĐÚNG SỐ liên kết loại đó có trong phân tử (ví dụ CH4 có 4 liên kết C–H, không phải 1). Nếu bước phá vỡ đòi năng lượng nhiều hơn bước hình thành trả lại, hiệu số dương — phản ứng thu nhiệt; ngược lại, hiệu số âm — phản ứng tỏa nhiệt. **Điều kiện áp dụng** — đây là điểm học sinh hay bỏ qua nhất: công thức trên chỉ đúng khi TẤT CẢ chất, cả chất đầu lẫn sản phẩm, đều ở THỂ KHÍ, vì $E_b$ được đo cho liên kết trong phân tử khí. Nếu phản ứng có chất rắn hoặc chất lỏng (như H2O(l)), phải chuyển sang phương pháp enthalpy tạo thành ở Chương 3, hoặc cộng thêm năng lượng chuyển thể — phần này vượt khỏi phạm vi bài học. Một số giá trị $E_b$ (kJ/mol) thường gặp: $E_b(H-H)=436$; $E_b(Cl-Cl)=243$; $E_b(H-Cl)=432$; $E_b(C-H)=413$; $E_b(O=O)=498$; $E_b(C=O$ trong $CO_2)=799$; $E_b(O-H)=467$.

Cách hiểu trực quan nhất về công thức này: hãy tưởng tượng phản ứng đi qua một trạng thái trung gian gồm toàn bộ nguyên tử tách rời nhau ở thể khí. Từ chất đầu đến trạng thái trung gian đó, ta phải phá vỡ hết liên kết cũ — luôn tốn năng lượng, nên cộng dương. Từ trạng thái trung gian đến sản phẩm, các nguyên tử ghép lại thành liên kết mới — luôn giải phóng năng lượng, nên trừ đi. Cách hình dung "đường vòng qua nguyên tử tự do" này chính là ý tưởng nền tảng của định luật Hess mà em sẽ gặp lại ở chương trình nâng cao, dù ở mức foundation ta chỉ áp dụng nó cho đúng một phản ứng cho sẵn, không tổ hợp nhiều phản ứng khác nhau.

Ví dụ

Tính ΔrH° của phản ứng tạo hydrogen chloride từ năng lượng liên kết

1
Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g)$ , biết $E_b(H-H)=436$ ; $E_b(Cl-Cl)=243$ ; $E_b(H-Cl)=432$ kJ/mol.
Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g)$, biết $E_b(H-H)=436$; $E_b(Cl-Cl)=243$; $E_b(H-Cl)=432$ kJ/mol.
2
Ta có: cả ba chất H2, Cl2, HCl đều ở thể khí — thỏa điều kiện áp dụng công thức năng lượng liên kết.
3
Chất đầu có 1 liên kết H–H và 1 liên kết Cl–Cl: $\sum E_b(\text{phá vỡ}) = 436 + 243 = 679$ kJ. \quad (1)
Chất đầu có 1 liên kết H–H và 1 liên kết Cl–Cl: $\sum E_b(\text{phá vỡ}) = 436 + 243 = 679$ kJ. \quad (1)
4
Sản phẩm có 2 mol HCl, mỗi mol có 1 liên kết H–Cl: $\sum E_b(\text{hình thành}) = 2 \times 432 = 864$ kJ. \quad (2)
Sản phẩm có 2 mol HCl, mỗi mol có 1 liên kết H–Cl: $\sum E_b(\text{hình thành}) = 2 \times 432 = 864$ kJ. \quad (2)
5
Từ (1) và (2): $\Delta_rH^{\circ} = 679 - 864 = -185$ kJ. Vậy phản ứng tỏa nhiệt 185 kJ khi 1 mol H2 phản ứng hết với 1 mol Cl2 — phù hợp với việc phản ứng này có thể gây nổ khi được chiếu sáng mạnh.
Từ (1) và (2): $\Delta_rH^{\circ} = 679 - 864 = -185$ kJ. Vậy phản ứng tỏa nhiệt 185 kJ khi 1 mol H2 phản ứng hết với 1 mol Cl2 — phù hợp với việc phản ứng này có thể gây nổ khi được chiếu sáng mạnh.

Ví dụ

Tính ΔrH° của phản ứng đốt cháy methane ở thể khí hoàn toàn

1
Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g)$ (nước ở thể HƠI) bằng phương pháp năng lượng liên kết, biết $E_b(C-H)=413$ ; $E_b(O=O)=498$ ; $E_b(C=O$ trong $CO_2)=799$ ; $E_b(O-H)=467$ kJ/mol.
Tính $\Delta_rH^{\circ}$ của phản ứng $CH_4(g) + 2O_2(g) \rightarrow CO_2(g) + 2H_2O(g)$ (nước ở thể HƠI) bằng phương pháp năng lượng liên kết, biết $E_b(C-H)=413$; $E_b(O=O)=498$; $E_b(C=O$ trong $CO_2)=799$; $E_b(O-H)=467$ kJ/mol.
2
Ta có: CH4, O2, CO2, H2O(g) đều ở thể khí — thỏa điều kiện. Lưu ý đề cho H2O(g), không phải H2O(l), đúng yêu cầu của phương pháp này.
3
CH4 có 4 liên kết C–H; 2O2 có 2 liên kết O=O: $\sum E_b(\text{phá vỡ}) = 4 \times 413 + 2 \times 498 = 1652 + 996 = 2648$ kJ. \quad (1)
CH4 có 4 liên kết C–H; 2O2 có 2 liên kết O=O: $\sum E_b(\text{phá vỡ}) = 4 \times 413 + 2 \times 498 = 1652 + 996 = 2648$ kJ. \quad (1)
4
CO2 có 2 liên kết C=O; 2H2O có 4 liên kết O–H: $\sum E_b(\text{hình thành}) = 2 \times 799 + 4 \times 467 = 1598 + 1868 = 3466$ kJ. \quad (2)
CO2 có 2 liên kết C=O; 2H2O có 4 liên kết O–H: $\sum E_b(\text{hình thành}) = 2 \times 799 + 4 \times 467 = 1598 + 1868 = 3466$ kJ. \quad (2)
5
Từ (1) và (2): $\Delta_rH^{\circ} = 2648 - 3466 = -818$ kJ. Vậy phản ứng tỏa nhiệt 818 kJ — con số này gần nhưng không trùng khít với kết quả tính theo enthalpy tạo thành ở Chương 3 (−890,3 kJ, với nước lỏng); chênh lệch một phần do khác trạng thái nước, một phần do $E_b$ là giá trị trung bình, không phải giá trị chính xác tuyệt đối cho từng phân tử — bài học sau sẽ bàn kĩ hơn về sự khác biệt này.
Từ (1) và (2): $\Delta_rH^{\circ} = 2648 - 3466 = -818$ kJ. Vậy phản ứng tỏa nhiệt 818 kJ — con số này gần nhưng không trùng khít với kết quả tính theo enthalpy tạo thành ở Chương 3 (−890,3 kJ, với nước lỏng); chênh lệch một phần do khác trạng thái nước, một phần do $E_b$ là giá trị trung bình, không phải giá trị chính xác tuyệt đối cho từng phân tử — bài học sau sẽ bàn kĩ hơn về sự khác biệt này.

Sai lầm thường gặp

Lỗi nghiêm trọng nhất là ÁP DỤNG công thức năng lượng liên kết cho phản ứng có chất rắn hoặc lỏng (ví dụ dùng nhầm cho H2O(l) thay vì H2O(g)) — công thức chỉ đúng khi mọi chất đều ở thể khí. Lỗi thứ hai là quên nhân đúng SỐ liên kết trong phân tử — CH4 có 4 liên kết C–H chứ không phải 1, quên nhân hệ số này làm sai hẳn kết quả.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Eb luôn dương, đo cho liên kết ở thể khí. ΔrH° = ΣEb(phá vỡ) − ΣEb(hình thành), nhân đúng số liên kết trong phân tử. Chỉ áp dụng khi TẤT CẢ chất đều ở thể khí. Kết quả chỉ gần đúng vì Eb là giá trị trung bình.

Bài cuối chương so sánh trực tiếp hai phương pháp tính $\Delta_rH^{\circ}$ vừa học, để em biết chọn đúng phương pháp theo dữ liệu đề bài, và ứng dụng vào bài toán nhiên liệu.