Giản đồ năng lượng phản ứng: năng lượng hoạt hoá và ΔH là hai đại lượng khác nhau

Phần 1. Hai câu hỏi hoàn toàn khác nhau, thường bị trả lời bằng một con số

Với bất kỳ phản ứng nào cũng có hai câu hỏi độc lập:

1. Phản ứng có xảy ra nhanh không? — đây là câu hỏi về động hoá học.
2. Phản ứng toả nhiệt hay thu nhiệt? — đây là câu hỏi về nhiệt động hoá học.

Hai câu hỏi ấy được trả lời bằng hai đại lượng khác hẳn nhau: năng lượng hoạt hoá $E_a$ và biến thiên enthalpy $\Delta H$. Và chúng không suy ra được từ nhau: có phản ứng toả nhiệt mạnh mà chậm tới mức hàng nghìn năm (kim cương biến thành than chì), có phản ứng thu nhiệt mà xảy ra tức thì.

Chỗ lẫn phổ biến nhất trong lớp học là câu hỏi về chất xúc tác: học sinh biết xúc tác làm phản ứng nhanh hơn, rồi kết luận nó làm phản ứng "toả nhiệt nhiều hơn" hoặc "hiệu suất cao hơn". Cả hai đều sai, và cả hai đều tránh được bằng một hình vẽ.

Phần 2. Bản chất: một đường đi từ mức đầu, qua một đỉnh, tới mức cuối

Trục tung là năng lượng, trục hoành là "toạ độ phản ứng" — mức độ chất đầu đã chuyển thành sản phẩm. Ba mức đáng đọc:

Đại lượng	Đọc từ đâu	Trả lời câu hỏi gì
$E_a$ thuận	đỉnh $-$ mức chất đầu	phản ứng thuận nhanh hay chậm
$E_a$ nghịch	đỉnh $-$ mức sản phẩm	phản ứng nghịch nhanh hay chậm
$\Delta H$	mức sản phẩm $-$ mức chất đầu	toả nhiệt hay thu nhiệt

Quan hệ giữa ba đại lượng, đọc thẳng từ hình và không cần nhớ:

Đỉnh của đường cong là trạng thái chuyển tiếp — cấu hình mà liên kết cũ đã gần đứt nhưng liên kết mới chưa hình thành xong. Nó không phải một chất có thể cô lập được.

Ba lưu ý

• Xúc tác hạ ĐỈNH xuống, không dịch hai ĐẦU. Đó là toàn bộ nội dung của chất xúc tác trên hình này: đường mới thấp hơn ở giữa, nhưng bắt đầu và kết thúc ở đúng hai mức cũ. Vì $\Delta H$ chỉ phụ thuộc hai đầu, nó không đổi. Và vì $E_a$ thuận lẫn $E_a$ nghịch đều giảm, xúc tác làm cả hai chiều nhanh lên như nhau — nên nó không dịch chuyển cân bằng.
• $\Delta H < 0$ là toả nhiệt (sản phẩm thấp hơn chất đầu), $\Delta H > 0$ là thu nhiệt. Dấu đọc được từ hướng đi lên hay đi xuống, không cần nhớ quy ước.
• Phản ứng nhiều giai đoạn có nhiều đỉnh. Hõm giữa hai đỉnh là một chất trung gian — chất này có thật và về nguyên tắc cô lập được, khác hẳn trạng thái chuyển tiếp. Giai đoạn có đỉnh cao nhất là giai đoạn quyết định tốc độ.

Phần 3. Bài toán thực chiến

Đề. Một phản ứng có năng lượng hoạt hoá $E_a = 150$ kJ/mol và $\Delta H = -30$ kJ/mol. Khi thêm chất xúc tác, năng lượng hoạt hoá giảm còn $80$ kJ/mol. Giá trị $\Delta H$ của phản ứng khi có xúc tác là A. $-100$ kJ/mol B. $-30$ kJ/mol C. $+40$ kJ/mol D. $-15$ kJ/mol

Cách 1 — Suy từ "xúc tác làm phản ứng mạnh hơn"

"Xúc tác hạ $E_a$ đi $70$ kJ, vậy năng lượng giải phóng nhiều hơn $70$ kJ: $-30 - 70 = -100$." → chọn A.

Điểm yếu. Sai, và sai vì lẫn hai trục thông tin: $E_a$ nói về rào cản trên đường đi, $\Delta H$ nói về chênh lệch hai đầu. Hạ rào cản không dịch chuyển hai đầu, cũng như hạ độ cao một con đèo không làm hai thành phố ở hai bên cao thấp khác đi.

Nếu lập luận trên đúng thì có thể lắp thêm xúc tác để lấy thêm năng lượng từ cùng một lượng chất — tức chế được máy chuyển động vĩnh cửu. Đây là phép kiểm nhanh nhất cho mọi câu hỏi kiểu này.

Cách 2 — Nhìn hai đầu của đường cong

Trên giản đồ:

• Mức chất đầu: $50$ kJ. Mức sản phẩm: $20$ kJ. Đỉnh: $200$ kJ.
• $E_a$ thuận $= 200 - 50 = 150$ kJ ✓ đúng dữ kiện đề.
• $\Delta H = 20 - 50 = -30$ kJ ✓ đúng dữ kiện đề.

Xúc tác hạ đỉnh xuống $130$ kJ, nên $E_a$ mới $= 130 - 50 = 80$ kJ ✓ đúng dữ kiện đề.

Nhưng hai mức đầu và cuối không hề bị đụng tới:

Đáp án B.

Ba phương án còn lại: A ($-100$) trừ luôn phần $E_a$ giảm được; C ($+40$) lấy hiệu $80 - 150 + 30$, tức trộn cả ba con số; D ($-15$) giảm $\Delta H$ theo tỉ lệ $E_a$ giảm.

Đọc thêm miễn phí từ cùng hình ấy:

và kiểm lại quan hệ: $E_a(\text{thuận}) - E_a(\text{nghịch}) = 150 - 180 = -30 = \Delta H$ ✓

	Suy bằng lời	Đọc giản đồ
Phân biệt $E_a$ với $\Delta H$	dễ lẫn	hai phép đo khác nhau trên hình
Tác dụng của xúc tác	nhớ một câu	thấy đường nét đứt hạ ở giữa
$E_a$ nghịch	cần công thức	đỉnh trừ mức sản phẩm
Phản ứng nhiều giai đoạn	rất khó mô tả	nhiều đỉnh, hõm là chất trung gian
Tự kiểm	không có	$E_a$ thuận $-$ $E_a$ nghịch phải bằng $\Delta H$

⭐ Một câu phân biệt hai chương của Hoá đại cương: $E_a$ là rào cản trên ĐƯỜNG ĐI, $\Delta H$ là chênh lệch giữa hai ĐẦU. Mọi câu hỏi về tốc độ nhìn vào đỉnh; mọi câu hỏi về nhiệt nhìn vào hai đầu. Không câu hỏi nào cần cả hai cùng lúc.

Ba điều xúc tác KHÔNG làm

Đây là nhóm câu hỏi lý thuyết hay gặp nhất, và cả ba đọc thẳng từ hình:

1. Không đổi $\Delta H$ — hai đầu giữ nguyên.
2. Không dịch chuyển cân bằng — $E_a$ thuận và $E_a$ nghịch cùng giảm một lượng, nên hằng số cân bằng $K$ không đổi. Xúc tác chỉ giúp hệ đạt tới cân bằng nhanh hơn.
3. Không làm phản ứng bất khả thi trở nên khả thi — nếu $\Delta G > 0$ thì hạ rào cản bao nhiêu cũng không đổi chiều phản ứng.

Thứ xúc tác làm được chỉ có một: rút ngắn thời gian. Với công nghiệp thì một điều đó là đủ để đáng giá hàng tỉ đô la, nhưng nó vẫn chỉ là một điều.

Phần 4. Góc giáo viên

Giản đồ năng lượng phục vụ năng lực nhận thức hoá học và là chỗ nối hai chương thường được dạy rời nhau: nhiệt hoá học và tốc độ phản ứng.

• Vẽ giản đồ ngay khi dạy khái niệm $\Delta H$, đừng để đến chương tốc độ. Hai đại lượng cần xuất hiện trên cùng một hình từ lần đầu, nếu không học sinh sẽ mặc định chúng liên quan tới nhau.
• Dùng phép thử "máy chuyển động vĩnh cửu" cho mọi lập luận kiểu "xúc tác cho nhiều năng lượng hơn". Nó dứt khoát và học sinh nhớ được.
• Ra bài tập cho giản đồ rồi hỏi cả bốn đại lượng ($E_a$ thuận, $E_a$ nghịch, $\Delta H$, chất trung gian). Một hình, bốn câu, chấm rất nhanh.
• Nối với ví dụ thật: kim cương bền hàng triệu năm dù $\Delta H$ của quá trình chuyển thành than chì là âm — bằng chứng rõ nhất rằng toả nhiệt không có nghĩa là nhanh.

Bẫy đề thi. Thứ nhất, câu hỏi xúc tác đổi $\Delta H$ — bẫy số một. Thứ hai, đề cho giản đồ nhiều đỉnh rồi hỏi $E_a$ của cả phản ứng: đó là khoảng cách từ mức chất đầu tới đỉnh cao nhất, không phải đỉnh đầu tiên. Thứ ba, đề hỏi chất trung gian mà học sinh chỉ vào đỉnh (trạng thái chuyển tiếp) thay vì chỉ vào hõm.

Phần 5. Bài tập tự luyện

Bài 1. Một phản ứng có $E_a$ thuận $= 90$ kJ/mol và $E_a$ nghịch $= 140$ kJ/mol. Tính $\Delta H$ và cho biết phản ứng toả hay thu nhiệt.

Gợi ý: $\Delta H = E_a(\text{thuận}) - E_a(\text{nghịch})$. Đáp án: $\Delta H = 90 - 140 = -50$ kJ/mol ⇒ phản ứng toả nhiệt. (Kiểm bằng hình: $E_a$ nghịch lớn hơn nghĩa là sản phẩm nằm thấp hơn chất đầu.)

Bài 2. Một phản ứng hai giai đoạn có giản đồ với hai đỉnh ở $120$ kJ và $95$ kJ, mức chất đầu $40$ kJ, hõm giữa hai đỉnh ở $70$ kJ, mức sản phẩm $25$ kJ. Xác định $E_a$ của cả phản ứng và giai đoạn nào quyết định tốc độ.

Gợi ý: $E_a$ của cả phản ứng tính từ mức chất đầu tới đỉnh cao nhất. Đáp án: $E_a = 120 - 40 = 80$ kJ/mol; giai đoạn thứ nhất quyết định tốc độ vì có đỉnh cao hơn. Mức $70$ kJ là chất trung gian. $\Delta H = 25 - 40 = -15$ kJ/mol.

---

Nhiệt hoá học là chương mà lẫn năng lượng hoạt hoá với biến thiên enthalpy vẫn cho ra một con số nằm gọn trong bốn phương án. Thầy cô có thể dựng bộ đề luyện đúng dạng này trên Grade: chấm tự động ngay khi nộp kèm lời giải chi tiết từng câu, và xem tỷ lệ chọn phương án "xúc tác làm ΔH âm hơn" — con số ấy đo đúng số em đang trộn hai trục thông tin của cùng một hình. Dùng thử miễn phí tại đây.

---