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键焓计算器

列出反应物中断开的键与产物中形成的键,即可得到以 kJ/mol 或 kcal/mol 表示的 ΔH 估算值,并写出每一项小计与完整运算。下方附有键能表,页面还解释了为何该答案与由生成焓计算的结果从来不完全一致。免费,无需注册。

试用一个反应

每个分子计入一次键,系数也要计算在内:4 C–H、2 O=O。单键用 -,双键用 =,三键用 ≡(或 #)。在键后加上 @799 即可使用您自己的能量值。

ΔH 的显示单位

结果

-682 kJ/mol

估算的 ΔH

放热(ΔH < 0)

热量流向

2656 kJ/mol

断键所需能量

3338 kJ/mol

成键释放的能量

断开的键

键数目能量 (kJ/mol)小计 (kJ/mol)
H–C44151660
O=O2498996

形成的键

键数目能量 (kJ/mol)小计 (kJ/mol)
C=O27411482
H–O44641856

计算过程

Σ 断开 = 4 × 415 + 2 × 498 = 2656

Σ 形成 = 2 × 741 + 4 × 464 = 3338

ΔH ≈ Σ 断开 − Σ 形成 = 2656 − 3338 = -682 kJ/mol

这是气相反应的粗略估算:平均键能忽略了每个键周围的环境,因此与由生成焓计算的结果相比,可能相差几十 kJ/mol。

平均键能
键能量 (kJ/mol)加入列表
H–H436
H–C415
H–N390
H–O464
H–F569
H–Si395
H–P320
H–S340
H–Cl432
H–Br370
H–I295
C–C345
C=C611
C≡C837
C–N290
C=N615
C≡N891
C–O350
C=O741
C≡O1080
C–F439
C–Si360
C–P265
C–S260
C–Cl330
C–Br275
C–I240
N–N160
N=N418
N≡N946
N–O200
N–F270
N–P210
N–Cl200
N–Br245
O–O140
O=O498
O–F160
O–Si370
O–P350
O–Cl205
O–I200
F–F160
F–Si540
F–P489
F–S285
F–Cl255
F–Br235
Si–Si230
Si–P215
Si–S225
Si–Cl359
Si–Br290
Si–I215
P–P215
P–S230
P–Cl330
P–Br270
P–I215
S–S215
S–Cl250
S–Br215
Cl–Cl243
Cl–Br220
Cl–I210
Br–Br190
Br–I180
I–I150

来源:OpenStax Chemistry 2e,第 7.5 节,表 7.2,气态分子的平均键能。

如何使用键焓计算器

  1. 1. 画出结构式。 写出每种反应物和产物的路易斯结构式,以便看清每一个键。本工具不会根据分子式猜测结构,因为同一分子式可能含有不同的键。
  2. 2. 列出断开和形成的键。 在两个文本框中输入这些键,例如 4 C–H、2 O=O,每个分子计一次,系数也要计入。单键用 -,双键用 =,三键用 ≡。也可以在表格中点击“+ 断开”或“+ 形成”,或选择一个示例反应。
  3. 3. 检查列表。 表中找不到的键会按名称标出。在反应前后两侧都保持不变的键可以省略,因为它们会相互抵消。
  4. 4. 读取 ΔH。 结果为 Σ 断开 − Σ 形成,并给出两个求和、每个键的小计以及计算过程。ΔH 为负表示反应为放热反应。

方法

断开一个键需要吸收能量,形成一个键则释放能量。若反应物中断开的键所需的能量多于产物中形成的键所释放的能量,则反应整体吸热。写成方程式,并以 D 表示平均键能:

估算

ΔH ≈ Σ D(断开的键) − Σ D(形成的键)

符号

ΔH < 0:放热。  ΔH > 0:吸热。

单位

以所写方程式计的每摩尔反应,单位 kJ;1 kcal = 4.184 kJ

符号约定最容易让人困惑:键能是正数,产物一侧的总和要减去。这里不要写成 ΔH = Σ 产物 − Σ 反应物,那是生成焓的计算规则。应根据手中的数据选择合适的方法,不要在同一次计算中混用两者。

示例:甲烷燃烧

对于 CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g),甲烷含有四个 C–H 键,每个 O₂ 含一个 O=O 键,二氧化碳含两个 C=O 键,每个水分子含两个 O–H 键。使用表中的平均值:

  • 断开:4 × 415 (C–H) + 2 × 498 (O=O) = 1660 + 996 = 2656 kJ
  • 形成:2 × 741 (C=O) + 4 × 464 (O–H) = 1482 + 1856 = 3338 kJ
  • ΔH ≈ 2656 − 3338 = −682 kJ,以每摩尔燃烧的 CH₄ 计
方法ΔH (kJ/mol)说明
平均键能,C=O = 741−682表中数值,对众多化合物取平均
平均键能,C=O = 799−798对 CO₂ 中较强的 C=O 键,输入 2 C=O@799
生成焓,H₂O(g)−802.5−393.5 + 2(−241.8) − (−74.6)
生成焓,H₂O(l)−890.5液态水需另加 2 × 44.0 kJ 的冷凝焓

为何与生成焓的结果不同

  • 键能是平均值。 甲烷中的 C–H 键与乙醇或苯中的 C–H 键并不相同。表中的数值取自众多化合物的平均,因此每个分子都会有些偏差。表中 C=O 的 741 kJ/mol 适用于醛和酮,而 CO₂ 中的 C=O 键约为 799 kJ/mol,强度更大。上例中的大部分偏差正来自这一差异。
  • 它只适用于气体。 键能指的是单独的气态分子,因此结果是气相 ΔH。如果产物中有液态水,必须加上冷凝焓,每摩尔 H₂O 约为 −44.0 kJ(取自 CRC 生成焓数据的 285.8 − 241.8)。
  • 它无法反映离域与张力。 苯或碳酸根中的共振、环张力以及氢键,会使真实分子比其键能之和更稳定或更不稳定。
  • 生成焓是针对实际化合物测得的。 ΔH°rxn = ΣΔH°f(产物) − ΣΔH°f(反应物) 使用 298 K 下列表的实测值,因此只要有数据,它就是更好的答案。缺乏数据时使用键能,或用来判断哪些键驱动了能量变化。Enthalpy of Reaction Calculator 采用的是生成焓途径。

键焓不等于键解离能

键解离能是指拆开某一分子中某一特定键所需的实测能量,例如水中第一个 O–H 键(约 498 kJ/mol)。键焓则是众多分子中此类数值的平均。键能表列出的是平均值,水中第二个 O–H 键所需的能量就与第一个不同。

常见问题

如何用键焓计算 ΔH?
分别求出断开反应物中每个键所需的能量与形成产物中每个键所释放的能量,然后相减:ΔH ≈ Σ D(断开) − Σ D(形成)。每个键按平衡方程式中每个分子计一次。对于 H₂ + Cl₂ → 2 HCl,即 (436 + 243) − 2(432) = −185 kJ。
为什么断键是吸热的,而成键是放热的?
原子在成键时所处的能量低于它们分开时,因此拆开它们需要能量,成键则会把这部分能量释放出来。两个方向涉及的是同样大小的能量,这就是为什么断键时的键能以正数表示。
为什么我的键能结果与生成焓的结果不一致?
键能是气相键的平均值,因此忽略了每个分子所处的特定环境,也无法处理液体、共振或张力。相差几十 kJ/mol 是正常的。若有数据,应以生成焓的结果为更准确的答案。
需要列出分子中的每一个键吗?
只需列出发生变化的键。反应物与产物中相同的键会同时出现在两个求和中并相互抵消。对于 C₂H₄ + H₂ → C₂H₆,只需列出断开的 C=C 与 H–H,以及形成的 C–C 与两个 C–H,结果 −128 kJ 与逐一计算所有键的结果相同。
如何计算 O=O 或 C=C 这类双键?
双键是一个具有自身较大能量的键,因此应作为一项输入,例如 O=O 为 498 kJ/mol,而不是两个 O–O 键。三键同理:N≡N 为 946 kJ/mol。
能否将键焓用于涉及液体或固体的反应?
只有在将所有物质换算为气体之后才可以。对每一种非气态物质加上汽化焓或升华焓,并谨慎看待结果。溶液中的反应,生成焓或量热法才是可靠的途径。

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