در یک واکنش شیمیایی، اتمها از بین نمیروند؛ آرایش اتصال آنها تغییر میکند. برای این بازآرایی باید بعضی پیوندهای واکنشدهندهها شکسته و پیوندهای تازهای در فرآوردهها ساخته شوند. شکستن پیوند انرژی میخواهد، اما تشکیل پیوند انرژی آزاد میکند. انرژی پیوند این دو بخش را به هم پیوند میدهد و به ما اجازه میدهد آنتالپی یک واکنش را به طور تقریبی از روی ساختار مواد حساب کنیم. نکته اصلی، شمردن درست پیوندها و حفظ ترتیب «شکسته منهای تشکیلشده» است.
انرژی پیوند چه چیزی را بیان میکند؟
انرژی پیوند، انرژی لازم برای شکستن یک مول از پیوند مشخص در حالت گازی است. برای نمونه، وقتی برای پیوند H–H عددی برحسب kJ·mol⁻¹ داده میشود، منظور انرژی لازم برای شکستن یک مول از همین پیوند در مولکولهای گازی است. هرچه انرژی پیوند بزرگتر باشد، شکستن آن پیوند به انرژی بیشتری نیاز دارد و معمولاً پیوند نیرومندتر است.
عددهای جدول انرژی پیوند برای بسیاری از پیوندها مقدار میانگیناند، زیرا انرژی یک نوع پیوند میتواند در مولکولهای مختلف اندکی تفاوت داشته باشد. به همین دلیل ΔH بهدستآمده از این روش معمولاً تقریبی است. برای حل مسئله باید دقیقاً از عددهای دادهشده در صورت سؤال استفاده کرد و حالت گازی مواد را در تفسیر روش در نظر داشت.
- واحد رایج انرژی پیوند kJ·mol⁻¹ است
- انرژی پیوند بزرگتر معمولاً نشاندهنده پیوند نیرومندتر است
- دادههای انرژی پیوند اغلب مقدار میانگیناند
- این روش معمولاً ΔH واکنش را به صورت تقریبی میدهد
شکستن پیوند گرماگیر و تشکیل پیوند گرماده است
برای جداکردن دو اتم پیوندخورده باید بر جاذبه میان آنها غلبه کرد؛ پس شکستن پیوند انرژی جذب میکند و سهم آن در محاسبه مثبت است. برعکس، هنگامی که دو اتم به هم نزدیک میشوند و پیوند پایداری میسازند، انرژی آزاد میشود؛ بنابراین تشکیل پیوند سهمی منفی در تغییر آنتالپی واکنش دارد.
از همین منطق رابطه اصلی ساخته میشود: ΔH واکنش تقریباً برابر مجموع انرژی پیوندهای شکسته در واکنشدهندهها منهای مجموع انرژی پیوندهای تشکیلشده در فرآوردههاست. اگر انرژی آزادشده هنگام تشکیل پیوندها از انرژی لازم برای شکستن پیوندها بیشتر باشد، ΔH منفی و واکنش گرماده است. اگر هزینه شکستن بیشتر باشد، ΔH مثبت و واکنش گرماگیر خواهد بود.
- شکستن پیوند: جذب انرژی و سهم مثبت
- تشکیل پیوند: آزادشدن انرژی و سهم منفی
- ΔH منفی: واکنش گرماده
- ΔH مثبت: واکنش گرماگیر
پیش از محاسبه، معادله و ساختارها را کامل کن
ابتدا معادله شیمیایی را موازنه کن، زیرا ضرایب نشان میدهند از هر مولکول چند نسخه باید در شمارش وارد شود. سپس ساختار پیوندی هر واکنشدهنده و فرآورده را رسم یا تجسم کن. فرمول مولکولی بهتنهایی همیشه برای شمارش کافی نیست؛ برای مثال در مولکول آب دو پیوند O–H و در مولکول اکسیژن یک پیوند دوگانه O=O وجود دارد.
تعداد هر نوع پیوند در یک مولکول را در ضریب همان ماده ضرب کن. فقط پیوندهایی را بشمار که در دو سوی واکنش شکسته یا ساخته میشوند؛ بااینحال برای یک روش مطمئن میتوان همه پیوندهای واکنشدهندهها و همه پیوندهای فرآوردهها را جداگانه فهرست کرد. پیوندهای یکسانی که بدون تغییر در دو طرف حضور دارند، اثر یکدیگر را خنثی میکنند.
- معادله را پیش از شمردن پیوندها موازنه کن
- ضریب ماده در همه پیوندهای آن ضرب میشود
- پیوند یگانه، دوگانه و سهگانه را یکسان در نظر نگیر
- شمار اتمها و پیوندها را جداگانه کنترل کن
دو مجموع انرژی را جدا نگه دار
در ستون نخست، پیوندهای موجود در واکنشدهندهها را با تعدادشان بنویس و مجموع انرژی لازم برای شکستن آنها را حساب کن. در ستون دوم، پیوندهای موجود در فرآوردهها را فهرست کن و مجموع انرژی آزادشده هنگام تشکیل آنها را به دست آور. سپس مقدار ستون دوم را از ستون نخست کم کن.
نوشتن مستقیم چند عدد مثبت و منفی در یک خط احتمال خطای علامت را بالا میبرد. بهتر است ابتدا Eشکستن و Eتشکیل را جداگانه، هر دو به صورت عدد مثبت، محاسبه کنی و فقط در مرحله آخر بنویسی ΔH = Eشکستن − Eتشکیل. پاسخ به ضرایب معادله وابسته است؛ اگر همه ضرایب دوبرابر شوند، ΔH واکنش نیز دوبرابر میشود.
مثال حلشده: تشکیل بخار آب از هیدروژن و اکسیژن
واکنش موازنهشده 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) را در نظر بگیر. انرژی پیوندهای H–H، O=O و O–H را بهترتیب 436، 498 و 463 kJ·mol⁻¹ فرض کن. در سمت واکنشدهنده باید دو پیوند H–H و یک پیوند O=O شکسته شود؛ پس Eشکستن = 2(436) + 498 = 1370 kJ است.
هر مولکول آب دو پیوند O–H دارد و ضریب آب ۲ است؛ بنابراین در مجموع چهار پیوند O–H تشکیل میشود و Eتشکیل = 4(463) = 1852 kJ خواهد بود. اکنون ΔH ≈ 1370 − 1852 = −482 kJ است. علامت منفی نشان میدهد واکنش، مطابق ضرایب نوشتهشده، گرماده است. این مقدار برای تشکیل دو مول H₂O(g) گزارش شده است؛ برای یک مول بخار آب مقدار تقریبی −241 kJ·mol⁻¹ به دست میآید.
حالت فیزیکی و ضرایب، معنای پاسخ را تغییر میدهند
انرژی پیوند مستقیماً برای گونههای گازی تعریف میشود. اگر فرآورده مسئله آب مایع باشد، محاسبه فقط با انرژی پیوندها تغییر فاز بخار به مایع را در بر نمیگیرد و برای رسیدن به ΔH دقیقتر باید آنتالپی میعان نیز لحاظ شود. پس H₂O(g) و H₂O(l) از نظر آنتالپی یک پاسخ یکسان ندارند.
همچنین ΔH یک ویژگی گسترده است و با مقدار واکنش تناسب دارد. عبارت «ΔH واکنش» به معادله با ضرایب مشخص مربوط است، اما «آنتالپی مولی» باید به ازای یک مول ماده یا یک مول پیشرفت تعریف شود. هنگام گزارش جواب روشن کن عدد نهایی برای معادله نوشتهشده است یا برای تشکیل و مصرف یک مول از مادهای خاص.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: برای واکنش H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)، انرژی پیوندهای H–H، Cl–Cl و H–Cl بهترتیب 436، 243 و 431 kJ·mol⁻¹ است. یک پیوند H–H و یک پیوند Cl–Cl شکسته میشود، پس Eشکستن = 436 + 243 = 679 kJ. دو پیوند H–Cl تشکیل میشود، بنابراین Eتشکیل = 2(431) = 862 kJ و ΔH ≈ 679 − 862 = −183 kJ خواهد بود؛ واکنش گرماده است.
برای کنترل پاسخ، بعد از محاسبه از خود بپرس آیا پیوندهای تشکیلشده در مجموع پایدارتر و پرانرژیتر از پیوندهای شکستهاند. اگر چنین باشد، انتظار ΔH منفی داریم. این بررسی مفهومی جای محاسبه را نمیگیرد، اما خطای علامت، فراموشکردن ضریب یا اشتباه در تعداد پیوندها را سریع آشکار میکند.
- ساختار مواد را پیش از شمارش رسم کن
- تعداد پیوند را در ضریب استوکیومتری ضرب کن
- ابتدا دو مجموع مثبت و جداگانه بساز
- همیشه از رابطه شکسته منهای تشکیلشده استفاده کن
- علامت و واحد پاسخ را همراه معنای ضرایب گزارش کن
برای حل عملی، معادله را موازنه و ساختار هر ماده را رسم کن؛ مجموع انرژی همه پیوندهای واکنشدهنده که باید شکسته شوند و مجموع انرژی همه پیوندهای فرآورده که تشکیل میشوند را جدا به دست آور، سپس دومی را از اولی کم کن. علامت منفی یعنی گرماده و علامت مثبت یعنی گرماگیر؛ در پایان نیز حالت فیزیکی و مقدار مادهای را که ΔH برای آن گزارش شده است مشخص کن.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.