AP Chemistry

thế năng

potential energy

Còn gọi: potential energy của các chất · năng lượng tiềm tàng

Thế năng là năng lượng mà một hệ chất có được nhờ vị trí hoặc cách sắp xếp của các hạt cấu thành nên hệ đó.

Trong hóa học, mọi hệ chất đều mang trong mình một dạng năng lượng gắn liền với vị trí tương đối giữa các hạt cấu thành nên nó. Dạng năng lượng này không biểu hiện ra bên ngoài dưới dạng chuyển động, mà nằm chờ ở cấu hình không gian của hệ — đó chính là thế năng. Ngược lại với động năng (kinetic energy), vốn phụ thuộc vào vận tốc của vật, thế năng chỉ thay đổi khi khoảng cách hoặc hướng giữa các hạt bị biến đổi.

Trong hóa học, loại thế năng quan trọng nhất là thế năng tĩnh điện (electrostatic potential energy), phát sinh từ lực hút hoặc lực đẩy giữa các điện tích. Công thức mô tả đại lượng này là:

$E_{el} = \kappa \frac{Q_1 Q_2}{d}$

Trong đó $Q_1$ và $Q_2$ là độ lớn của hai điện tích, $d$ là khoảng cách giữa chúng, và $\kappa$ là hằng số tỉ lệ. Nhờ công thức này, ta thấy khi hai điện tích trái dấu tiến lại gần nhau, thế năng giảm dần, do đó hệ trở nên bền vững hơn. Ngược lại, khi hai điện tích cùng dấu bị ép sát, thế năng tăng vọt và hệ có xu hướng đẩy ra xa.

Ở cấp độ phân tử, thế năng còn được lưu trữ trong chính cách sắp xếp các nguyên tử và liên kết hóa học. Khi phản ứng xảy ra, các liên kết cũ bị phá vỡ và liên kết mới hình thành, kéo theo sự chuyển hóa thế năng thành nhiệt hoặc ngược lại. Vì vậy, việc theo dõi biến thiên thế năng qua biểu đồ năng lượng cho phép ta dự đoán phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt, cũng như xác định được trạng thái bền nhất của hệ.

Ký hiệu

E_{el}

Q_1

Q_2

d

\kappa

Đơn vịJoule (J)

Trực giác: Hãy tưởng tượng một viên bi nằm trên đỉnh đồi — nó chưa lăn, nhưng chỉ cần buông tay là trọng lực sẽ biến thế năng thành động năng ngay lập tức.

Công thức

E_{el} = \htmlClass{fp-3}{\kappa \htmlClass{fp-2}{\frac{\htmlClass{fp-0}{Q_1 Q_2}}{\htmlClass{fp-1}{d}}}}

Dùng để tính thế năng tĩnh điện giữa hai điện tích điểm, giải thích xu hướng hình thành liên kết ion và độ bền của mạng tinh thể.

Trong đó

E_{el}

thế năng tĩnh điện — J

\kappa

hằng số Coulomb — N

\cdot

m^2 / C^2

Q_1, Q_2

điện tích của hai ion — C

d

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1853William RankineWilliam Thomson

Thuật ngữ "potential energy" do kỹ sư kiêm nhà vật lý người Scotland William Rankine đặt ra năm 1853, trong nỗ lực xây dựng một hệ thuật ngữ thống nhất cho năng lượng và công.

Từ khoảng năm 1840, giới khoa học bắt đầu tìm cách định nghĩa cho rành mạch hai khái niệm năng lượng và công (work), vốn đang được dùng lẫn lộn trong các bài toán cơ học và máy hơi nước. Rankine bước vào đúng khoảng trống đó: năm 1853 ông đề xuất tên gọi cho phần năng lượng mà một vật có được nhờ vị trí của nó so với vật khác, hoặc nhờ cách sắp xếp các hạt bên trong nó. Đến năm 1867, ông mô tả rõ hơn rằng đây là "năng lượng của cấu hình" (energy of configuration), đặt đối lập với "năng lượng của hoạt động" (energy of activity). Cũng trong năm 1867, William Thomson đưa ra thuật ngữ động năng (kinetic energy) làm vế đối lập, và cặp khái niệm này ổn định cho tới ngày nay.

Hay hiểu sai

Điểm thấp nhất của đường cong thế năng không phải nơi lực hút mạnh nhất.

Thế năng âm không có nghĩa là "ít năng lượng" hay vô lý.

Đừng lẫn độ sâu của giếng thế năng với vị trí của nó trên trục hoành.

Thế năng phụ thuộc vị trí và điện tích, không phụ thuộc tốc độ chuyển động.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bảng dưới đây cho biết độ dài liên kết và năng lượng liên kết (bond energy) của hai phân tử halogen ở thể khí: | Phân tử | Độ dài liên kết (pm) | Năng lượng liên kết (kJ/mol) | |---|---|---|

\text{Cl}_2

199243

\text{I}_2

266151 Một đề trắc nghiệm vẽ bốn đường cong biểu diễn thế năng của hệ hai nguyên tử theo khoảng cách giữa hai hạt nhân (internuclear distance), trong đó mốc thế năng bằng 0 ứng với hai nguyên tử ở cách nhau vô cùng xa.

aMô tả hai đặc điểm giúp nhận ra đường cong nào ứng với $\text{I}_2$ chứ không phải $\text{Cl}_2$ , kèm giá trị số cụ thể của điểm cực tiểu.
bTừ dạng của đường cong, hãy giải thích vì sao thế năng tăng rất nhanh khi khoảng cách giữa hai hạt nhân nhỏ hơn độ dài liên kết.

1Bước 1: Xác định ý nghĩa của mốc năng lượng trước đã. Khi hai nguyên tử ở rất xa nhau, chúng gần như không tương tác nên quy ước

E=0

. Khi chúng lại gần, lực hút giữa hạt nhân của nguyên tử này với electron của nguyên tử kia thắng thế, hệ tỏa năng lượng và thế năng trở nên âm. Do đó toàn bộ phần có ý nghĩa hóa học của đường cong nằm phía dưới trục hoành.

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 nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Lực nội phân tử và thế năng” — khoá AP Chemistry

Cần trướclực

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

động năng (kinetic energy)kinetic energy

Khác nhau ở đâuThế năng lưu trữ nhờ vị trí tương đối của các hạt, không phụ thuộc chuyển động. Động năng đo năng lượng của chuyển động thực tế, tỉ lệ với bình phương tốc độ.

Hay nhầm khiKhi đọc giản đồ tiến trình phản ứng, nhầm đỉnh cong (thế năng cực đại tại trạng thái chuyển tiếp) với động năng phân tử lớn nhất

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 25, 41.

2Ví dụ 2/2

Sodium chloride và magnesium oxide đều kết tinh theo cùng một kiểu mạng lập phương. Khoảng cách giữa tâm hai ion trái dấu cạnh nhau là

283\ \text{pm}

trong

\text{NaCl}

và

212\ \text{pm}

trong

\text{MgO}

. Năng lượng mạng lưới (lattice energy) đo được của

\text{NaCl}

là

788\ \text{kJ/mol}

, còn của

\text{MgO}

là

3795\ \text{kJ/mol}

. Thế năng tĩnh điện giữa hai ion được tính theo

E_{el} = \kappa\dfrac{Q_1 Q_2}{d}

aDùng biểu thức thế năng tĩnh điện để dự đoán tỉ số năng lượng mạng lưới của $\text{MgO}$ so với $\text{NaCl}$ , rồi so sánh giá trị dự đoán với giá trị thực nghiệm.
bTrong hai yếu tố điện tích và khoảng cách, yếu tố nào giải thích chính cho sự chênh lệch đó? Giải thích.

1Bước 1: Viết tích điện tích cho từng cặp ion. Trong

\text{NaCl}

ta có

Q_1 Q_2 = (+1)(-1) = -1

; trong

\text{MgO}

ta có

Q_1 Q_2 = (+2)(-2) = -4

. Dấu âm cho biết đây là tương tác hút, còn độ lớn cho biết cặp ion trong

\text{MgO}

hút nhau mạnh gấp 4 lần nếu khoảng cách như nhau.

2Bước 2: Vì

E_{el}

tỉ lệ nghịch với

d

, khoảng cách nhỏ hơn làm thế năng âm sâu hơn. Tỉ số phần khoảng cách là

\dfrac{283}{212} = 1{,}335

, nghĩa là riêng việc các ion trong

\text{MgO}

nằm gần nhau hơn đã làm tương tác mạnh thêm khoảng 33%.

3Bước 3: Nhân hai yếu tố lại:

\dfrac{E_{\text{MgO}}}{E_{\text{NaCl}}} \approx 4 \times 1{,}335 = 5{,}34

. Áp vào giá trị thực của

\text{NaCl}

788 \times 5{,}34 \approx 4{,}21 \times 10^{3}\ \text{kJ/mol}

4Bước 4: So sánh với thực nghiệm

3795\ \text{kJ/mol}

. Sai lệch tương đối là

\dfrac{4210 - 3795}{3795} \approx 0{,}11

, tức khoảng 11%. Mô hình điểm điện tích do đó dự đoán đúng bậc độ lớn và đúng chiều biến thiên, dù hơi cao vì liên kết trong

\text{MgO}

có phần cộng hóa trị và các ion không phải quả cầu điện tích lý tưởng.

5Bước 5: Tách riêng đóng góp của từng yếu tố cho ý (b). Điện tích đóng góp hệ số 4, còn khoảng cách chỉ đóng góp hệ số 1,34. Vì tích

Q_1 Q_2

nằm ở tử số và cả hai ion cùng tăng độ lớn điện tích, ảnh hưởng của điện tích được nhân đôi hai lần nên vượt xa ảnh hưởng của việc rút ngắn khoảng cách.

Mô hình tĩnh điện dự đoán năng lượng mạng lưới của $\text{MgO}$ lớn hơn của $\text{NaCl}$ khoảng 5,3 lần, tức chừng $4{,}2 \times 10^{3}\ \text{kJ/mol}$ , khá sát với giá trị thực nghiệm $3795\ \text{kJ/mol}$ . Nguyên nhân chính là điện tích ion: cặp $\text{Mg}^{2+}$ – $\text{O}^{2-}$ cho tích điện tích gấp bốn lần cặp $\text{Na}^{+}$ – $\text{Cl}^{-}$ , trong khi việc khoảng cách ngắn hơn chỉ làm tương tác mạnh thêm khoảng một phần ba. Vì thế năng tĩnh điện âm sâu hơn nhiều nên tinh thể $\text{MgO}$ bền hơn hẳn, và điều này thể hiện ra ở nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với $\text{NaCl}$ .