用键能估算能量变化的方法是:把反应物中每个键断裂所需的能量加起来,把生成物中每个键形成所释放的能量加起来,然后相减:断键总和减成键总和。结果以 kJ/mol 为单位。
为什么是“断键减成键”?
断键吸收能量,所以断键总和是投入的能量。成键释放能量,所以成键总和是放出的能量。如果放出的比投入的多,整个反应是放热的,答案为负。
键能数值由题目给出。本课的数字是为练习而取的、经过四舍五入的示意值,所以请使用你自己那道题的表,不要用这里的数值。
具体怎么做?
- 配平方程式,并画出结构,使每个键都看得见。方程式配平推理训练工具可以帮你数原子。
- 列出断裂的键,用系数算出每种的数目。
- 把断裂它们所需的能量加起来。
- 列出形成的键,并把释放的能量加起来。
- 相减: 断键 − 成键。
- 解读符号,再加上 kJ/mol。
例题详解
键能为练习用的给定值,单位 kJ/mol:C–H 413,O=O 498,C=O 805,O–H 464。
估算 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 的能量变化。
第一步,断裂的键: 一个 CH₄ 有 4 个 C–H 键。两个 O₂ 分子有 2 个 O=O 键。
第二步,断键所需能量: 4 × 413 = 1652。2 × 498 = 996。总和 = 1652 + 996 = 2648 kJ/mol。
第三步,形成的键: 一个 CO₂ 有 2 个 C=O 键。两个 H₂O 分子有 2 × 2 = 4 个 O–H 键。
第四步,释放的能量: 2 × 805 = 1610。4 × 464 = 1856。总和 = 1610 + 1856 = 3466 kJ/mol。
第五步,相减: 2648 − 3466 = −818 kJ/mol。
第六步,解读: 符号为负,所以反应是放热的。
检查: 成键释放的能量(3466)多于断键所需的(2648),与负数答案相符。重新计算,1652 + 996 = 2648,1610 + 1856 = 3466,相减再次得到 −818。
要留意的错误
有两种失误很常见。
错误答案 1: 氧气用 1 × 498,得到断键 = 1652 + 498 = 2150,ΔH = 2150 − 3466 = −1316 kJ/mol。
学生忽略了 O₂ 前面的系数 2。
错误答案 2: 成键 − 断键 = 3466 − 2648 = +818 kJ/mol。
学生把减法的顺序弄反,符号随之颠倒,反应的类型也判断错了。
纠正的方法是养成简单的习惯。每种键的数目都乘以系数,开始前先在解题过程上方写下“断键 − 成键”作为标题。然后用“放出的能量比需要的多,答案就为负”来检查符号。
自我检测
下面的练习使用这些给定值:H–H 436,Cl–Cl 242,H–Cl 431,N≡N 945,N–H 391。
1. 估算 H₂ + Cl₂ → 2HCl 的能量变化。
查看答案
断键:436 + 242 = 678。成键:2 × 431 = 862。能量变化 = 678 − 862 = −184 kJ/mol,放热。
2. 估算 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 的能量变化。(每个 NH₃ 有 3 个 N–H 键。)
查看答案
断键:945 + 3 × 436 = 945 + 1308 = 2253。成键:2 × 3 × 391 = 6 × 391 = 2346。能量变化 = 2253 − 2346 = −93 kJ/mol,放热。
3. 有学生在第 1 题得到 +184 kJ/mol。哪里出错了?
查看答案
他把减法的顺序弄反了(成键 − 断键)。正确的顺序是断键 − 成键,得到 −184 kJ/mol。
下一步
接下来区分断键与成键,让两个总和保持清晰,然后试做完整的练习题。摩尔与方程式比例辅导工具也展示了系数如何贯穿物质的量的计算。
有些学生状态好的时候每一步都会,可在压力下还是会滑一下。一对一线上化学补习的老师可以观察你的版面布局,帮你建立一个能保护符号的作答顺序。