Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
bond energy
Còn gọi: bond dissociation energy · năng lượng phân ly liên kết · entalpy liên kết · bond enthalpy
Năng lượng liên kết là năng lượng cần thiết để phá vỡ một mol liên kết giữa hai nguyên tử trong phân tử ở trạng thái khí.
Năng lượng liên kết (bond energy) là đại lượng đo độ bền của liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử trong một phân tử khí. Cụ thể, đây là năng lượng tối thiểu cần cung cấp để bẻ gãy một mol liên kết đó ở thể khí. Vì quá trình phá vỡ liên kết luôn thu năng lượng, nên giá trị này luôn dương.
Tuy nhiên, đối với phân tử đa nguyên tử, cùng một kiểu liên kết có thể có độ bền khác nhau tùy vào môi trường nguyên tử xung quanh. Do đó, người ta thường dùng năng lượng liên kết trung bình — giá trị trung bình rút ra từ nhiều hợp chất khác nhau. Nhờ vậy, ta có một bảng số liệu thống nhất để ước tính nhanh mà không cần biết chính xác từng phân tử.
Từ bảng số liệu này, ta có thể áp dụng vào thực tế để ước tính nhiệt lượng của các phản ứng hóa học. Ứng dụng quan trọng nhất của đại lượng năng lượng liên kết là tính toán entanpi phản ứng (enthalpy of reaction) thông qua công thức sau:
Trong công thức trên, là tổng năng lượng của các liên kết bị phá vỡ ở chất phản ứng, còn là tổng năng lượng của các liên kết mới hình thành ở sản phẩm. Tuy nhiên, vì giá trị trung bình chỉ mang tính xấp xỉ, kết quả tính ra thường lệch vài chục kJ/mol so với giá trị đo thực nghiệm. Mặc dù vậy, phương pháp này vẫn rất hữu ích khi ta không có sẵn số liệu entanpi tạo thành của từng chất.
Trực giác: Hãy tưởng tượng mỗi liên kết như một chiếc lò xo — lò xo càng cứng thì càng cần nhiều năng lượng để kéo đứt nó ra.
Dùng để ước lượng biến thiên enthalpy của phản ứng khi biết năng lượng liên kết trung bình của từng loại liên kết; kết quả âm là phản ứng tỏa nhiệt (exothermic), dương là thu nhiệt (endothermic).
Trong đó
1800 (từ "energy" vào vật lý); đại lượng định hình từ thế kỷ 19Thomas YoungAristotle
Trước khi có thể nói "liên kết mạnh bao nhiêu", hóa học phải có một thước đo năng lượng đã. Từ "energy" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp enérgeia của Aristotle, nhưng phải đến năm 1800 Thomas Young mới đưa nó vào vật lý, và nghĩa định lượng hiện nay chỉ định hình trong thế kỷ 19, khi Mayer, Joule và Helmholtz làm rõ mối quan hệ giữa nhiệt và công trong giai đoạn 1842–1847. Có thước đo rồi, người ta mới đo được lượng nhiệt cần để tách một mol phân tử thành các nguyên tử riêng lẻ. Chính phép đo nhiệt đó là gốc thực nghiệm của năng lượng liên kết mà đề thi hôm nay vẫn dùng.
Năng lượng liên kết luôn dương, không phải tọa độ âm ở đáy giếng thế năng.
Trên đường cong thế năng (potential energy curve), điểm thấp nhất có tung độ âm, chẳng hạn kJ/mol, vì đó là mức thế năng của hệ hai nguyên tử đã liên kết so với mốc hai nguyên tử tách rời ở vô cực. Năng lượng liên kết là ĐỘ SÂU của giếng, tức khoảng cách thẳng đứng từ đáy lên mức 0: kJ/mol. Vì vậy khi đề cho đáy giếng ở kJ/mol thì đáp án phải là kJ/mol — năng lượng cấp vào để bẻ gãy liên kết không bao giờ mang dấu âm.
Đừng nhầm hoành độ của đáy giếng với năng lượng liên kết.
Đáy giếng có hai tọa độ mang hai ý nghĩa hoàn toàn khác nhau: hoành độ là độ dài liên kết cân bằng (equilibrium bond length), đo bằng pm, còn tung độ là thế năng, đo bằng kJ/mol. Học sinh vội thường chọn pm cho câu hỏi về năng lượng, hoặc tệ hơn là cộng thành một con số vô nghĩa. Hai đại lượng khác đơn vị thì không thể cộng, và chỉ cần dừng lại kiểm tra đơn vị trong đáp án là loại được ngay các phương án bẫy này.
Độ bền liên kết do bậc liên kết quyết định, không do số nguyên tử trong phân tử.
Nhiều bạn lập luận rằng có ba nguyên tử nên liên kết của nó phải bền hơn chỉ có hai nguyên tử, nhưng kích thước phân tử không hề dính dáng đến việc kéo hai hạt nhân ra xa nhau. Cái quyết định là bậc liên kết (bond order), tức số cặp electron dùng chung dồn vào vùng giữa hai hạt nhân. Liên kết ba trong có ba cặp electron nên lực hút hạt nhân–electron mạnh nhất, giếng thế năng sâu nhất, và cần tới kJ/mol để phá vỡ.
Liên kết dài hơn thì yếu hơn, không phải mạnh hơn.
Đây là quan hệ nghịch mà đề rất hay đảo ngược để gài: khi bậc liên kết tăng, hai hạt nhân bị kéo lại gần nhau nên liên kết ngắn đi, đồng thời giếng thế năng sâu thêm nên liên kết bền lên. Do đó liên kết ba ngắn hơn liên kết đôi và cũng mạnh hơn liên kết đôi, chứ không có chuyện "dài thì chắc". Khi so sánh trong cùng một cặp nguyên tố, cứ nhớ ngắn — mạnh — bậc cao luôn đi liền nhau.
Câu tự luận yêu cầu "show your work" thì con số trần không được điểm.
Giám khảo chấm theo từng bước lập luận, nên phải viết ra rõ ràng cả cách làm lẫn phép tính. Với bài đọc đồ thị, hãy ghi hẳn một dòng kiểu "đáy giếng ở kJ/mol, nên năng lượng cần cấp là kJ/mol" thay vì chỉ điền số . Một câu giải thích ngắn gắn con số với ý nghĩa vật lý thường là chỗ ăn trọn điểm mà nhiều bạn bỏ trống.
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.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép hai phần đều có lý do. Phần "năng lượng" đi từ enérgeia, một từ Aristotle dùng với nghĩa gần như "đang ở trong trạng thái làm việc", nên nó vốn chỉ khả năng sinh công chứ không chỉ một kho chứa; do đó nói năng lượng "tích trong liên kết" là cách nói tắt, bản chất là năng lượng phải cấp vào để phá liên kết. Phần "liên kết" chỉ rõ đối tượng đo, và vì phép đo thực hiện bằng nhiệt ở áp suất không đổi nên đại lượng này còn mang tên enthalpy liên kết (bond enthalpy). Điều dễ gây nhầm là chữ "trung bình" ẩn trong định nghĩa: giá trị trong bảng là trung bình của năng lượng phân li liên kết (bond dissociation energy) ở pha khí cho mọi liên kết cùng loại, chứ không phải giá trị của một liên kết cụ thể. Với một liên kết riêng, giá trị được ký hiệu và tính từ enthalpy hình thành (enthalpy of formation) theo Công thức nói rằng năng lượng phá liên kết bằng năng lượng của hai mảnh khi đã tách rời trừ đi năng lượng của phân tử khi còn nguyên vẹn. Vì vậy tên gọi vừa nhắc đến nguồn gốc nhiệt học, vừa hàm ý đây là con số trung bình.
Luôn kiểm tra đơn vị trước khi khoanh đáp án trắc nghiệm.
Trong các câu về đường cong thế năng, đề cố tình trộn pm và kJ/mol để bắt lỗi đọc trục; một đáp án mang đơn vị pm cho câu hỏi về năng lượng là sai ngay lập tức mà không cần tính. Chiến thuật nhanh nhất là gạch chân đơn vị mà câu hỏi yêu cầu, rồi loại thẳng mọi phương án sai đơn vị hoặc sai dấu. Nhờ đó bạn tiết kiệm được thời gian cho những câu tính toán nặng hơn ở phía sau.
Khi so sánh độ bền, hãy viết ra bậc liên kết của từng chất trước khi kết luận.
Trình bày theo trình tự bậc liên kết cao hơn dẫn tới nhiều cặp electron dùng chung hơn, lực hút mạnh hơn, liên kết ngắn hơn và enthalpy liên kết (bond enthalpy) lớn hơn thì lập luận mới đủ mắt xích để được điểm. Nếu chỉ viết " mạnh hơn vì nó là liên kết ba", bạn đã bỏ qua phần giải thích nguyên nhân mà thang chấm đòi hỏi.
Liên kết dài pm và có năng lượng liên kết kJ/mol, nghĩa là phải cung cấp kJ mới tách được mol thành nguyên tử; với g khí thì cần khoảng kJ. Riêng trong bền hơn trong vì bậc liên kết cao hơn ( so với ) làm liên kết ngắn lại và giếng thế năng sâu hơn, nên cần tới kJ/mol để bẻ gãy thay vì kJ/mol.
Ước lượng từ năng lượng liên kết cho kJ/mol: đốt mol methane trong oxygen giải phóng khoảng kJ, nên phản ứng tỏa nhiệt vì các liên kết và tạo ra bền hơn các liên kết và bị phá vỡ. Giá trị này chỉ gần đúng vì bảng số liệu dùng giá trị trung bình cho mỗi loại liên kết chứ không phải giá trị riêng trong từng phân tử cụ thể, do đó lệch nhẹ so với kJ/mol thực nghiệm.