Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
Bond breaking, bond making and calculating ΔH
The two halves of every reaction
Every chemical reaction does two things, always in this order:
- bonds in the reactants are broken — this requires energy, so it is endothermic;
- bonds in the products are made — this releases energy, so it is exothermic.
Which of the two is larger decides the overall reaction. If making the new bonds releases more than breaking the old ones cost, the reaction is exothermic overall.
Think of it as pulling something apart against a force (costs energy) and letting something snap together (gives energy back).
The calculation
$$\Delta H=\sum(\text{bond energies broken})-\sum(\text{bond energies made})$$Broken first, made second, and subtract. Getting the order the wrong way round gives an answer with the right size and the wrong sign — and the sign is what the question is really testing.
Working through one
For $\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}$, with bond energies $\ce{H-H}=436$, $\ce{Cl-Cl}=242$ and $\ce{H-Cl}=431$ kJ/mol:
Broken: one $\ce{H-H}$ and one $\ce{Cl-Cl}$, so $436+242=678$ kJ.
Made: two $\ce{H-Cl}$ bonds, so $2\times 431=862$ kJ.
$$\Delta H=678-862=-184\ \text{kJ/mol}$$Negative, so exothermic — which matches the observation that hydrogen burns in chlorine.
Two things to count carefully
Count bonds from the balanced equation, including the coefficients: $2\ce{HCl}$ means two $\ce{H-Cl}$ bonds, not one.
Count bonds within each molecule too: $\ce{CH4}$ has four $\ce{C-H}$ bonds, and $\ce{H2O}$ has two $\ce{O-H}$ bonds.
Hai nửa của mọi phản ứng. Mọi phản ứng hoá học đều làm hai việc, luôn theo thứ tự này:
- phá liên kết trong chất phản ứng — việc này cần năng lượng, nên nó thu nhiệt;
- tạo liên kết trong sản phẩm — việc này nhả năng lượng, nên nó toả nhiệt.
Vế nào lớn hơn thì quyết định tính chất của cả phản ứng. Nếu tạo liên kết mới nhả ra nhiều hơn phá liên kết cũ tốn, thì tổng thể là toả nhiệt.
Hình dung: kéo hai thứ đang hút nhau ra thì tốn sức; buông cho chúng dính lại thì được trả sức về.
Phép tính.
$$\Delta H=\sum(\text{năng lượng liên kết bị phá})-\sum(\text{năng lượng liên kết được tạo})$$Phá trước, tạo sau, và trừ. Đảo thứ tự cho ra đáp số đúng độ lớn nhưng sai dấu — mà dấu mới là thứ câu hỏi thật sự đang kiểm tra.
Làm thử một bài. Với $\ce{H2 + Cl2 -> 2HCl}$, năng lượng liên kết $\ce{H-H}=436$, $\ce{Cl-Cl}=242$ và $\ce{H-Cl}=431$ kJ/mol:
Phá: một $\ce{H-H}$ và một $\ce{Cl-Cl}$, tức $436+242=678$ kJ.
Tạo: hai liên kết $\ce{H-Cl}$, tức $2\times 431=862$ kJ.
$$\Delta H=678-862=-184\ \text{kJ/mol}$$Dấu âm, nên toả nhiệt — khớp với quan sát rằng hiđro cháy được trong khí clo.
Hai chỗ phải đếm cẩn thận.
Đếm liên kết theo phương trình đã cân bằng, tính cả hệ số: $2\ce{HCl}$ nghĩa là hai liên kết $\ce{H-Cl}$, không phải một.
Đếm cả liên kết bên trong mỗi phân tử: $\ce{CH4}$ có bốn liên kết $\ce{C-H}$, và $\ce{H2O}$ có hai liên kết $\ce{O-H}$.
Tính $\Delta H$ cho phản ứng $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$, biết năng lượng liên kết (kJ/mol): $\ce{C-H}=413$, $\ce{O=O}=498$, $\ce{C=O}=805$, $\ce{O-H}=464$.
Bước 1 — đếm liên kết bị phá, theo phương trình đã cân bằng.
$\ce{CH4}$ có bốn liên kết $\ce{C-H}$; hệ số $2$ trước $\ce{O2}$ nghĩa là hai liên kết $\ce{O=O}$.
$$\sum\text{phá}=(4\times 413)+(2\times 498)=1652+996=2648\ \text{kJ}$$Bước 2 — đếm liên kết được tạo.
$\ce{CO2}$ có hai liên kết $\ce{C=O}$; hệ số $2$ trước $\ce{H2O}$ và mỗi phân tử nước có hai liên kết $\ce{O-H}$, nên tổng cộng bốn liên kết $\ce{O-H}$.
$$\sum\text{tạo}=(2\times 805)+(4\times 464)=1610+1856=3466\ \text{kJ}$$Bước 3 — phá trừ tạo.
$$\Delta H=2648-3466=-818\ \text{kJ/mol}$$Dấu âm nên phản ứng toả nhiệt — đúng như phải thế với một phản ứng cháy.
Hai chỗ đếm dễ sót. Bốn liên kết $\ce{O-H}$, không phải hai: hệ số $2$ nhân với hai liên kết trong mỗi phân tử nước. Và hai liên kết $\ce{C=O}$ trong một phân tử $\ce{CO2}$, dù công thức chỉ ghi một chữ $\ce{C}$.
Cách chặn: vẽ công thức cấu tạo ra nháp trước khi đếm. $\ce{H-O-H}$ nhìn thấy ngay hai liên kết; $\ce{O=C=O}$ nhìn thấy ngay hai liên kết đôi.
Giải thích vì sao phá liên kết luôn là quá trình thu nhiệt và tạo liên kết luôn là quá trình toả nhiệt, rồi dùng điều đó để nói xem một phản ứng toả nhiệt nghĩa là gì về mặt liên kết.
Phá liên kết. Một liên kết hoá học tồn tại vì hai nguyên tử hút nhau — đó chính là định nghĩa của liên kết. Muốn tách chúng ra, phải làm việc chống lại lực hút ấy, và làm việc chống lại một lực thì luôn tốn năng lượng.
Vì thế phá liên kết luôn thu nhiệt, không có ngoại lệ nào trong toàn bộ hoá học.
Tạo liên kết. Khi hai nguyên tử tiến lại đủ gần, lực hút kéo chúng dính vào nhau — chúng “rơi” vào một trạng thái năng lượng thấp hơn, và phần chênh lệch được nhả ra.
Vì thế tạo liên kết luôn toả nhiệt, cũng không có ngoại lệ.
Vậy phản ứng toả nhiệt nghĩa là gì. Mọi phản ứng đều làm cả hai việc: phá liên kết cũ rồi tạo liên kết mới. Tổng thể toả nhiệt nghĩa là
$$\text{năng lượng nhả ra khi tạo liên kết mới}\ >\ \text{năng lượng tốn để phá liên kết cũ}$$Nói cách khác, sản phẩm có liên kết bền hơn chất phản ứng. Phần chênh lệch đi ra môi trường và làm cốc nóng lên.
Hệ quả đáng nhớ. Câu này giải thích luôn vì sao mọi phản ứng — kể cả phản ứng toả nhiệt mạnh như đốt xăng — đều cần một năng lượng hoạt hoá để khởi động: phải phá liên kết trước, mà phá thì tốn năng lượng. Đó là lý do xăng không tự bốc cháy khi để trong bình, và cần một tia lửa để bắt đầu.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemical Energetics gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.