Бондын эрчим хүчний талаарх хэлэлцүүлгийн асуултын жишээ
Пендахулуан
Холбооны энерги нь молекул доторх холбоог таслахад шаардагдах энергийг ойлгоход тусалдаг химийн гол ойлголт юм. Энгийнээр хэлбэл, холбооны энерги гэдэг нь молекул дотор холбогдсон хоёр атомыг тусдаа атом болгон хуваахад шаардагдах энергийн хэмжээ юм. Энэ нийтлэлд бид холбооны энергийн тухай ойлголтыг хэд хэдэн жишээ бодлого болон тэдгээрийн хэлэлцүүлгээр дамжуулан ойлгох болно.
Бондын энергийн тухай ойлголт
Холбооны энергийг нэг моль дахь киложоулаар (кЖ/моль) илэрхийлдэг бөгөөд химийн холбооны төрөл бүр өөр өөр холбооны энергитэй байдаг. Жишээлбэл, дан C-H (нүүрстөрөгч-устөрөгч) холбооны холбооны энерги нь давхар C=O (нүүрстөрөгч-хүчилтөрөгч) холбооны холбооны энергиэс өөр байна.
Холбооны энергийг харгалзан урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (\(\Дельта H\)) тооцоолоход түгээмэл хэрэглэгддэг тэгшитгэл нь:
\[
\Дельта H = \Сигма D_{\текст{урвалж бодисууд}} – \Сигма D_{\текст{бүтээгдэхүүнүүд}}
\]
Энд \(D_{\text{урвалж}}\) ба \(D_{\text{products}}\) нь урвалд ордог бодисууд болон бүтээгдэхүүнүүдэд оролцдог холбооны энерги юм. Өөрөөр хэлбэл, урвалд ордог бодисууд дахь холбооны энергийн нийлбэрээс бүтээгдэхүүнүүд дэх холбооны энергийн нийлбэрийг хасна.
Жишээ асуултууд болон хэлэлцүүлэг
Асуулт 1
Дараах бондын дундаж холбооны энерги нь дараах байдалтай байгааг мэддэг.
– HH холбоо: 436 кЖ/моль
– O=O холбоо: 498 кЖ/моль
– HO холбоо: 463 кЖ/моль
Дараах урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (\(\Дельта H\)) тооцоолно уу:
\[
2H_2(g) + O_2(g) \баруун сум 2H_2O(g)
\]
Хэлэлцүүлэг:
Эхний алхам бол урвалыг бичиж, урвалж болон бүтээгдэхүүнд байгаа холбооны тоог тоолох явдал юм.
Урвалж бодисын хувьд:
– 2 молекул \(H_2\) гэдэг нь 2 HH холбоо байгааг илтгэнэ
– 1 молекул \(O_2\) гэдэг нь 1 O=O холбоо байгааг илтгэнэ
Бүтээгдэхүүний хувьд:
– 2 \(H_2O\) молекул гэдэг нь 4 HO холбоо гэсэн үг
Урвалж бодисууд дахь нийт холбооны энерги:
\[
2 \times \text{Холбооны энерги HH} + 1 \times \text{Холбооны энерги O=O}
\]
\[
= 2 \удаа 436 + 1 \удаа 498
\]
\[
= 872 + 498
\]
\[
= 1370 \text{ кЖ/моль}
\]
Бүтээгдэхүүн дэх нийт холбооны энерги:
\[
4 удаа \text{HO холбооны энерги}
\]
\[
= 4 \үргэлжлэх 463
\]
\[
= 1852 \text{ кЖ/моль}
\]
Энтальпийн өөрчлөлт (\(\Дельта H\)):
\[
\Дельта H = \Сигма D_{\текст{урвалж бодисууд}} – \Сигма D_{\текст{бүтээгдэхүүнүүд}}
\]
\[
= 1370 \текст{ кЖ/моль} – 1852 \текст{ кЖ/моль}
\]
\[
= -482 \text{ кЖ/моль}
\]
Тиймээс урвалын энтальпийн өөрчлөлт нь \(-482\) кЖ/моль байна.
Асуулт 2
Дараах холбооны энерги мэдэгдэж байна гэж үздэг:
– CH холбоо: 414 кЖ/моль
– C=C холбоо: 612 кЖ/моль
– HH холбоо: 436 кЖ/моль
Дараах урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг (\(\Дельта H\)) тооцоолно уу:
\[
C_2H_4(g) + H_2(g) \баруун сум C_2H_6(g)
\]
Хэлэлцүүлэг:
Эхний алхам бол урвалыг бичиж, урвалж болон бүтээгдэхүүнд байгаа холбооны тоог тоолох явдал юм.
Урвалж бодисын хувьд:
– 1 (C_2H_4) молекул (этилен) нь 4 CH холбоо болон 1 C=C холбоотой
– \(H_2\)-ийн 1 молекул нь 1 HH холбоотой
Бүтээгдэхүүний хувьд:
– 1 (C_2H_6\) молекул (этан) нь 6 CH холбоо болон 1 CC холбоотой
Урвалж бодисууд дахь нийт холбооны энерги:
\[
4 \times \text{Холбооны энерги CH} + 1 \times \text{Холбооны энерги C=C} + 1 \times \text{Холбооны энерги HH}
\]
\[
= 4 \удаа 414 + 1 \удаа 612 + 1 \удаа 436
\]
\[
= 1656 + 612 + 436
\]
\[
= 2704 \text{ кЖ/моль}
\]
Бүтээгдэхүүн дэх нийт холбооны энерги:
\[
6 удаа \text{CH холбооны энерги} + 1 удаа \text{CC холбооны энерги}
\]
\[
= 6 \удаа 414 + 1 \удаа 348
\]
\[
= 2484 + 348
\]
\[
= 2832 \text{ кЖ/моль}
\]
Энтальпийн өөрчлөлт (\(\Дельта H\)):
\[
\Дельта H = \Сигма D_{\текст{урвалж бодисууд}} – \Сигма D_{\текст{бүтээгдэхүүнүүд}}
\]
\[
= 2704 \текст{ кЖ/моль} – 2832 \текст{ кЖ/моль}
\]
\[
= -128 \text{ кЖ/моль}
\]
Тиймээс урвалын энтальпийн өөрчлөлт нь \(-128\) кЖ/моль байна.
Дүгнэлт
Холбооны энергийн тухай ойлголт нь химийн урвал болон тэдгээрийн энтальпийн өөрчлөлтийг судлах үндсэн элемент юм. Энэ нийтлэлд бид холбооны энергийг ашиглан урвалын энтальпийн өөрчлөлтийг хэрхэн тооцоолохыг харуулсан хоёр жишээ бодлогыг авч үзсэн. Энэхүү ойлголт нь органик синтезээс эхлээд түлшний хөгжил хүртэл химийн өргөн хүрээний хэрэглээнд чухал ач холбогдолтой юм. Төрөл бүрийн химийн урвалыг тогтмол дадлагажуулж, судалснаар илүү гүнзгий ойлголттой болж болно.
Энэ нийтлэлд дурдсан аргуудыг ирээдүйн бондын энергийн асуудлыг шийдвэрлэх гарын авлага болгон ашиглаж, бондын энергийн химийн талаарх мэдлэгээ гүнзгийрүүлэхийн тулд бусад нэмэлт сургалтын эх сурвалжуудыг авч үзнэ үү.
