Năng lượng hóa học được lưu trữ trong liên kết thế nào?

Trong một phản ứng hóa học, các liên kết cũ có thể bị phá vỡ và các liên kết mới được hình thành. Phá vỡ liên kết cần cung cấp năng lượng, trong khi hình thành liên kết giải phóng năng lượng. Vì vậy, phản ứng tỏa hay thu nhiệt phụ thuộc vào cân bằng giữa năng lượng cần để phá các liên kết ban đầu và năng lượng giải phóng khi tạo các liên kết mới.

Năng lượng hóa học thực chất là gì?

Năng lượng hóa học là phần năng lượng gắn với trạng thái hóa học của một hệ, đặc biệt là cách các nguyên tử và electron được sắp xếp và tương tác với nhau.

Một cách hình dung đơn giản là so sánh hai trạng thái:

·         Các chất phản ứng có một mức năng lượng nhất định

·         Các sản phẩm có thể có mức năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn

·         Chênh lệch giữa hai trạng thái biểu hiện qua sự thay đổi năng lượng của phản ứng

Trong nhiệt hóa học, sự thay đổi này thường được mô tả bằng enthalpy phản ứng, ΔH. Nếu ΔH < 0, hệ giải phóng nhiệt ra môi trường và phản ứng được gọi là tỏa nhiệt. Nếu ΔH > 0, hệ hấp thụ nhiệt từ môi trường và phản ứng được gọi là thu nhiệt.

Điểm quan trọng là không nên hiểu rằng một phân tử có một “kho năng lượng” nằm riêng trong từng liên kết. Liên kết là biểu hiện của trạng thái tương tác giữa các nguyên tử; năng lượng của hệ phụ thuộc vào toàn bộ cấu hình và tương tác trong hệ.

Vì sao liên kết hóa học có liên quan đến năng lượng?

Khi hai nguyên tử tương tác, lực hút giữa hạt nhân và electron có thể làm hệ đạt trạng thái năng lượng thấp hơn so với các nguyên tử tách biệt ở khoảng cách thích hợp. Trạng thái liên kết ổn định này là cơ sở để hình thành phân tử hoặc cấu trúc hóa học.

Độ bền của liên kết có thể được mô tả bằng năng lượng liên kết hoặc năng lượng phân ly liên kết. Về quy ước, năng lượng liên kết biểu thị năng lượng cần cung cấp để phá vỡ một liên kết; liên kết càng mạnh thì càng cần nhiều năng lượng để tách các nguyên tử liên kết.

Ví dụ, năng lượng liên kết H–H trong H₂ vào khoảng 436 kJ/mol. Nghĩa là cần cung cấp khoảng 436 kJ để phá vỡ một mol liên kết H–H ở trạng thái khí theo định nghĩa tương ứng. Khi các nguyên tử H tạo lại H₂, một lượng năng lượng tương ứng được giải phóng.

Điều này cho thấy mối liên hệ trực tiếp giữa cấu trúc liên kết và sự biến đổi năng lượng.

Điều gì xảy ra khi liên kết bị phá vỡ?

Phá vỡ liên kết luôn cần năng lượng cung cấp cho hệ. Đây là quá trình thu năng lượng ở cấp độ liên kết.

Có thể biểu diễn khái quát:

Liên kết → các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tách rời năng lượng cung cấp

Năng lượng cần thiết phụ thuộc vào loại liên kết và môi trường hóa học của nó. Chẳng hạn, liên kết đơn, đôi và ba giữa cùng những nguyên tử có thể có năng lượng khác nhau; các giá trị năng lượng liên kết trung bình thường được dùng để ước tính biến thiên enthalpy của phản ứng.

Một điểm cần phân biệt là năng lượng cần để phá liên kết không đồng nghĩa với năng lượng hoạt hóa của toàn bộ phản ứng. Một phản ứng có thể cần vượt qua một hàng rào năng lượng để bắt đầu, ngay cả khi tổng thể phản ứng cuối cùng giải phóng năng lượng.

Điều gì xảy ra khi liên kết mới được hình thành?

Ngược lại với phá vỡ liên kết, hình thành liên kết giải phóng năng lượng vì hệ chuyển sang trạng thái liên kết có năng lượng thấp hơn.

Có thể hình dung:

Các nguyên tử tách rời → liên kết mới năng lượng giải phóng

Đây là lý do một phản ứng hóa học không thể chỉ được đánh giá bằng việc “có phá liên kết hay không”. Trong thực tế, một phản ứng thường đồng thời:

1.    Phá vỡ một số liên kết trong chất phản ứng

2.    Hình thành các liên kết mới trong sản phẩm

3.    So sánh tổng năng lượng của hai quá trình

Nếu năng lượng giải phóng khi tạo liên kết mới lớn hơn năng lượng cần để phá liên kết cũ, phần chênh lệch được giải phóng ra môi trường và phản ứng có xu hướng tỏa nhiệt. Nếu năng lượng cần để phá liên kết lớn hơn năng lượng giải phóng khi tạo liên kết mới, hệ phải nhận thêm năng lượng và phản ứng có xu hướng thu nhiệt.

Vì sao tạo liên kết có thể giải phóng năng lượng nhưng phá liên kết lại cần năng lượng?

Đây là điểm quan trọng nhất để hiểu năng lượng hóa học.

Xét một hệ gồm hai nguyên tử:

·         Khi ở rất xa nhau, chúng tương tác yếu

·         Khi tiến lại gần, các tương tác giữa hạt nhân và electron có thể làm năng lượng của hệ giảm

·         Tại một khoảng cách thích hợp, hệ đạt trạng thái tương đối ổn định

·         Muốn kéo hai nguyên tử tách hoàn toàn khỏi nhau, phải cung cấp năng lượng để đưa hệ trở lại trạng thái có năng lượng cao hơn

Vì vậy, liên kết hóa học không phải là một “bình chứa năng lượng” theo nghĩa đen. Chính sự khác biệt về mức năng lượng giữa trạng thái liên kết và trạng thái tách rời mới là cơ sở để giải thích năng lượng cần khi phá liên kết và năng lượng giải phóng khi tạo liên kết.

Đối với một phản ứng, có thể ước tính biến thiên enthalpy bằng:

ΔH ≈ Σ năng lượng liên kết bị phá − Σ năng lượng liên kết được hình thành

Công thức này cho thấy vì sao phải xét cả hai phía của phản ứng, thay vì chỉ nhìn vào các liên kết bị phá.

Khi nào năng lượng hóa học được giải phóng hoặc hấp thụ?

Một phản ứng được quyết định về mặt năng lượng bởi trạng thái tương đối của chất phản ứng và sản phẩm.

Phản ứng tỏa nhiệt

Nếu các liên kết trong sản phẩm có tổng mức năng lượng thuận lợi hơn so với các liên kết trong chất phản ứng, hệ có thể giải phóng năng lượng ra môi trường.

Khi đó:

ΔH < 0

Năng lượng của sản phẩm thấp hơn năng lượng của chất phản ứng và phần chênh lệch có thể xuất hiện dưới dạng nhiệt hoặc các dạng truyền năng lượng khác.

Phản ứng thu nhiệt

Nếu để tạo ra sản phẩm cần đưa hệ lên trạng thái năng lượng cao hơn, hệ phải nhận năng lượng từ môi trường.

Khi đó:

ΔH > 0

Vì vậy, không thể kết luận rằng “phá liên kết tạo ra năng lượng” hay “tạo liên kết luôn làm phản ứng tỏa nhiệt”. Trong một phản ứng thực tế, cả phá và tạo liên kết đều xảy ra, còn dấu của ΔH phụ thuộc vào kết quả tổng thể.

Có thể đo năng lượng hóa học bằng năng lượng liên kết không?

Có. Năng lượng liên kết có thể được dùng để ước tính biến thiên enthalpy của phản ứng.

Cách làm cơ bản là:

1.    Xác định các liên kết cần phá trong chất phản ứng

2.    Cộng năng lượng cần thiết để phá các liên kết đó

3.    Xác định các liên kết được tạo trong sản phẩm

4.    Cộng năng lượng được giải phóng khi hình thành các liên kết mới

5.    Lấy chênh lệch giữa hai tổng

Công thức thường dùng là:

ΔH ≈ ΣD(liên kết bị phá) − ΣD(liên kết được hình thành)

Tuy nhiên, đây thường chỉ là giá trị ước tính, bởi bảng năng lượng liên kết thường sử dụng các giá trị trung bình. Năng lượng của cùng một loại liên kết có thể thay đổi tùy môi trường phân tử cụ thể. Khi cần độ chính xác cao hơn, enthalpy tạo thành chuẩn thường được sử dụng để tính ΔH phản ứng.

Nói ngắn gọn, năng lượng hóa học không đơn giản là năng lượng nằm bên trong từng liên kết. Nó liên quan đến trạng thái năng lượng của toàn bộ hệ và sự sắp xếp tương tác giữa các nguyên tử, electron. Phá liên kết cần năng lượng; tạo liên kết giải phóng năng lượng. Một phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt được quyết định bởi cân bằng năng lượng giữa toàn bộ liên kết bị phá và toàn bộ liên kết được hình thành, chứ không phải bởi riêng một bước nào.