Đang tải bài học…

AP Chemistry

năng lượng

energy

Năng lượng là khả năng thực hiện công hoặc truyền nhiệt từ vật này sang vật khác.

Năng lượng là đại lượng trung tâm của hóa học, vì mọi quá trình — từ phản ứng đốt cháy đến sự hòa tan muối — đều đi kèm với sự biến đổi năng lượng dưới dạng này hay dạng khác. Về bản chất, năng lượng được định nghĩa là khả năng thực hiện công hoặc truyền nhiệt; hai hình thức biểu hiện phổ biến nhất là động năng và thế năng (potential energy). Động năng gắn với chuyển động của vật, còn thế năng tích trữ trong cấu trúc hoặc vị trí — chẳng hạn, thế năng hóa học nằm trong các liên kết giữa các nguyên tử.

Tổng động năng và thế năng của một hệ tạo thành nội năng $U$ của hệ đó. Khi hệ trao đổi năng lượng với môi trường, biến thiên nội năng được tính theo:

$\Delta U = q + w$

trong đó $q$ là nhiệt trao đổi và $w$ là công thực hiện; quy ước dấu dương nghĩa là hệ nhận năng lượng. Phương trình này là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi, mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác.

Trong chương trình AP Chemistry, năng lượng xuất hiện xuyên suốt: từ biểu đồ năng lượng phản ứng (reaction) cho thấy năng lượng hoạt hóa, đến entanpi tạo thành và định luật Hess (Hess's law), rồi đến năng lượng tự do Gibbs quyết định tính tự diễn biến của phản ứng. Vì vậy, nắm vững khái niệm năng lượng và quy ước dấu ngay từ đầu sẽ giúp học sinh tránh sai sót khi làm bài tính toán nhiệt hóa học. Ngược lại, nếu nhầm lẫn quy ước dấu của $q$ hay $w$ , kết quả tính toán sẽ sai hoàn toàn dù nắm đúng công thức.

Ký hiệu

• $U$ — nội năng
• $q$ — nhiệt
• $w$ — công
• $\Delta U = q + w$

Đơn vịJ (joule), kJ (kilojoule), cal (calorie); 1 cal = 4,184 J

Trực giác: Năng lượng giống như số dư trong tài khoản ngân hàng: bạn có thể dùng nó để "mua" công hoặc nhiệt, và tổng số dư toàn hệ thống không bao giờ tăng hay giảm — chỉ chuyển từ ví này sang ví khác.

Công thức

E_k = \htmlClass{fp-2}{\frac{1}{2}\htmlClass{fp-0}{m}\htmlClass{fp-1}{v^2}}

Dùng để tính động năng (kinetic energy) của một vật khi biết khối lượng và vận tốc của nó; trong hóa học, công thức này áp dụng cho chuyển động của phân tử khí, electron, hay bất kỳ hạt nào có khối lượng.

Trong đó

E_k

động năng — J

m

khối lượng của vật — kg

v

vận tốc của vật — m/s

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1800 (Thomas Young đưa từ này vào vật lý); nghĩa hiện đại định hình trong thế kỷ 19AristotleGottfried Wilhelm LeibnizThomas YoungGustave Gaspard de CoriolisJean-Victor Poncelet

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng mũi tên — xem dấu của q và w lật theo chiều dòng năng lượng

Hay hiểu sai

Số đỉnh phổ không phải số electron.

Đỉnh bên trái không mặc nhiên là lớp electron sâu nhất.

Năng lượng liên kết là độ sâu của giếng thế năng, không phải tọa độ âm ở đáy giếng.

Liên kết dài hơn thì yếu hơn, không phải mạnh hơn.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phổ quang điện tử (photoelectron spectroscopy, PES) lý tưởng của một nguyên tử trung hòa ghi được năm peak. Xếp theo năng lượng liên kết electron (binding energy) giảm dần, chiều cao tương đối của các peak lần lượt là 2, 2, 6, 2 và 1.

aTính tổng số electron của nguyên tử và cho biết số hiệu nguyên tử $Z$ , từ đó xác định nguyên tố.
bPeak có chiều cao 1 ứng với electron ở phân lớp nào, và giải thích vì sao peak này nằm ở vùng năng lượng liên kết nhỏ nhất.

1Bước 1: Trong phổ PES, chiều cao (hay diện tích) của mỗi peak tỉ lệ với số electron cùng nằm trong một phân lớp (subshell), còn vị trí peak trên trục cho biết năng lượng cần thiết để bứt electron đó ra. Vì vậy tổng số electron chính là tổng các chiều cao:

2+2+6+2+1=13

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 nàyNhiệt động lực học · bài “Quá trình thu nhiệt và tỏa nhiệt” — khoá AP Chemistry

Cần trướccông nhiệt lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

động năngkinetic energy

Khác nhau ở đâuĐộng năng gắn với chuyển động của vật hoặc hạt. Thế năng phụ thuộc vào vị trí hoặc cấu trúc của hệ trong trường lực.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi năng lượng liên quan đến tốc độ chuyển động phân tử thay vì vị trí hoặc liên kết.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 2, 11, 13.

Julius Robert von Mayer

James Prescott Joule

Hermann von Helmholtz

Từ "energy" bắt nguồn từ chữ Hy Lạp enérgeia do Aristotle (384–322 TCN) xây dựng, và được Thomas Young đưa vào vật lý năm 1800 để gọi tên đại lượng mà trước đó người ta chỉ mô tả vòng quanh.

Cuối thế kỷ 17, các nhà tự nhiên học đã nắm được ý tưởng cốt lõi trước khi có tên gọi cho nó: đến năm 1686, Gottfried Wilhelm Leibniz đã dựng nên những khái niệm tương ứng với động năng (kinetic energy) và thế năng (potential energy) trong cơ học ngày nay, nhưng ông không hề dùng chữ "energy". Năm 1800, Thomas Young là người đầu tiên mang từ này vào vật lý, tuy vậy nó chưa được giới khoa học đón nhận rộng rãi. Khái niệm chỉ dần chín khi công (work) được Gustave Gaspard de Coriolis và Jean-Victor Poncelet định nghĩa vào năm 1828/29, rồi trong quãng 1842–1847, Julius Robert von Mayer, James Prescott Joule và Hermann von Helmholtz đặt nền cho cách hiểu định lượng hiện đại.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "energy" đi thẳng từ enérgeia trong tiếng Hy Lạp, một từ do Aristotle tạo dựng và không có bản dịch tương đương trong tiếng Anh; người ta thường diễn giải nó là "đang ở trong trạng thái làm việc". Cái nghĩa gốc ấy giải thích vì sao khái niệm hiện đại lại gắn chặt với công: năng lượng được định nghĩa là đại lượng phải truyền cho một vật để vật đó thực hiện công hoặc để làm nóng vật. Khi mới nhập vào tiếng Anh cuối thế kỷ 17, từ này chỉ mang nghĩa mơ hồ là "sức mạnh"; phải đến thế kỷ 19 nó mới nhận được định nghĩa định lượng như trong sách giáo khoa hôm nay. Vì vậy, nếu thấy tên gọi nghe trừu tượng thì đó là dấu vết của một từ triết học cổ được vật lý mượn lại và siết chặt nghĩa.

Bấm từng mũi tên — xem dấu của q và w lật theo chiều dòng năng lượng

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Với phổ PES, luôn viết ra phép cộng chiều cao trước khi chọn đáp án.

Kiểm tra đơn vị trước khi cộng hoặc trừ bất kỳ hai con số nào.

Ở câu tự luận, hãy viết rõ hướng của dòng năng lượng bằng chữ và bằng dấu.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 2: Đề nói rõ đây là nguyên tử trung hòa, nghĩa là số electron bằng số proton. Do đó

Z=13

, và tra bảng tuần hoàn ta được nhôm, kí hiệu

\mathrm{Al}

3Bước 3: Bây giờ gán từng peak cho từng phân lớp theo đúng thứ tự đề cho, tức là đi từ năng lượng liên kết lớn nhất xuống nhỏ nhất:

1s^2

2s^2

2p^6

3s^2

3p^1

. Các con số 2, 2, 6, 2, 1 khớp hoàn toàn với sức chứa của các phân lớp này, và cấu hình thu được

1s^22s^22p^63s^23p^1

đúng là cấu hình của nhôm — một cách kiểm tra chéo cho Bước 2.

4Bước 4: Peak chiều cao 1 do đó ứng với electron duy nhất ở phân lớp

3p

, tức electron hóa trị (valence electron) ngoài cùng. Electron này nằm xa hạt nhân và bị mười electron của các lớp bên trong chắn bớt lực hút, nên điện tích hạt nhân hiệu dụng (effective nuclear charge) tác dụng lên nó nhỏ hơn hẳn so với electron

1s

. Vì lực giữ yếu nên chỉ cần một năng lượng nhỏ đã tách được nó ra, và peak tương ứng phải nằm ở đầu năng lượng liên kết thấp.

Nguyên tử có 13 electron nên $Z=13$ , đó là nhôm với cấu hình $1s^22s^22p^63s^23p^1$ . Peak chiều cao 1 ứng với electron $3p$ duy nhất, tức electron hóa trị ngoài cùng; do bị chắn mạnh và ở xa hạt nhân, nó cần ít năng lượng nhất để bứt ra nên xuất hiện ở vùng năng lượng liên kết nhỏ nhất của phổ.

2Ví dụ 2/2

Một phổ PES của nguyên tử trung hòa được vẽ với trục hoành tăng dần sang phải, nghĩa là năng lượng liên kết lớn nằm bên phải. Phổ có hai peak: peak bên trái ở

0{,}42

MJ/mol và peak bên phải ở

6{,}84

MJ/mol. Chùm photon dùng để ion hóa mang năng lượng

10{,}00

MJ/mol.

aPeak nào ứng với phân lớp $1s$ ? Giải thích.
bTính động năng của các electron bị bứt ra từ phân lớp $1s$ , theo MJ/mol và theo J cho mỗi electron.

1Bước 1: Electron

1s

nằm ở lớp electron trong cùng, gần hạt nhân nhất và hầu như không bị chắn, nên lực hút tĩnh điện lên nó mạnh nhất trong toàn nguyên tử. Muốn tách nó ra ta phải cấp nhiều năng lượng nhất, do đó peak của

1s

luôn là peak có năng lượng liên kết lớn nhất.

2Bước 2: Vấn đề còn lại chỉ là đọc trục cho đúng. Đề đã nói năng lượng lớn nằm bên phải, nên peak

6{,}84

MJ/mol bên phải chính là peak của

1s

; peak

0{,}42

MJ/mol ứng với electron ngoài cùng. Cần lưu ý rằng nhiều phổ trong đề AP lại vẽ ngược, với năng lượng lớn ở bên trái, vì vậy phải nhìn nhãn trục chứ không được nhớ máy móc là "1s luôn nằm bên trái".

3Bước 3: Sang ý (b), ta dùng bảo toàn năng lượng cho quá trình quang ion hóa: photon cấp năng lượng, một phần dùng để thắng lực giữ electron, phần dư biến thành động năng của electron bay ra. Viết dưới dạng công thức:

E_{\text{KE}} = E_{\text{photon}} - E_{\text{BE}}

trong đó

E_{\text{photon}}

là năng lượng photon tới,

E_{\text{BE}}

là năng lượng liên kết của electron và

E_{\text{KE}}

là động năng còn lại.

4Bước 4: Thay số cho electron

1s

E_{\text{KE}} = 10{,}00 - 6{,}84 = 3{,}16

MJ/mol. Giá trị này tính cho một mol electron, nên muốn ra năng lượng của một electron ta chia cho số Avogadro:

\frac{3{,}16\times 10^{6}\ \mathrm{J/mol}}{6{,}022\times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}} = 5{,}25\times 10^{-18}\ \mathrm{J}.

Kết quả cỡ

10^{-18}

J là hợp lý, vì các quá trình ở mức nguyên tử luôn có năng lượng rất nhỏ khi xét trên từng hạt riêng lẻ.

Peak ở $6{,}84$ MJ/mol (bên phải) ứng với phân lớp $1s$ , vì electron trong cùng bị hạt nhân hút mạnh nhất nên có năng lượng liên kết lớn nhất. Với photon $10{,}00$ MJ/mol, các electron $1s$ bay ra mang động năng $3{,}16$ MJ/mol, tương đương $5{,}25\times 10^{-18}$ J cho mỗi electron.

Liên quanenthalpy entropy

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