Hỗ trợ trọng tâm cốt lõi HL/SL. Đánh giá đầu tiên 2025; yêu cầu hiện tại đã nắm bắt; hướng dẫn Hóa học đầy đủ chưa nắm bắt. Hướng dẫn còn lại, đánh giá và yêu cầu thực hành vẫn giữ nguyên các hạn chế đã ghi nhận.
Kiến thức nền tảng: liên kết cộng hóa trị từ Cấu trúc 2.2 và cấu trúc ankan từ Cấu trúc 3.2. Mỗi bài học sẽ phát triển phương pháp riêng trước khi chuyển giao độc lập.
Đây là các ví dụ giảng dạy gốc hoặc được ghi rõ là hư cấu, không phải là các phép đo thực tế hay các nghiên cứu đánh giá học viên đã hoàn tất.
Methane và clo được trộn trong bóng tối và không xảy ra phản ứng; nhưng hỗn hợp tương tự dưới ánh sáng mặt trời lại phản ứng ngay lập tức, và sản phẩm bao giờ cũng không thuần khiết chloromethane — nó luôn chứa các phân tử bị thế thêm nhiều lần. Tại sao?
Bắt đầu bằng một dự đoán. Nêu rõ các đại lượng hoặc đặc điểm bạn sẽ so sánh, sau đó quyết định bằng chứng nào có thể phân biệt hai lời giải thích.
Xây dựng mô hình
Một liên kết cộng hóa trị có thể bị cleavage đồng phân (phân li đồng phân): cặp electron dùng chung tách ra sao cho mỗi nguyên tử giữ một electron, tạo thành hai gốc tự do — nguyên tử hoặc nhóm có electron chưa ghép đôi, ký hiệu bằng dấu chấm, ví dụ Cl•. Mũi tên một lưỡi (dạng móc cá) biểu thị CHUYỂN ĐỘNG CỦA MỘT electron.
Thế gốc tự do diễn ra theo dạng chuỗi: khởi đầu (ánh sáng UV làm vỡ Cl₂ thành hai Cl•), lan truyền (một gốc tự do tạo sản phẩm và một gốc tự do mới: CH₄ + Cl• → •CH₃ + HCl, sau đó •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•), và kết thúc (hai gốc tự do kết hợp, kết thúc chuỗi).
Phân li đồng phân: Sự phá vỡ liên kết mà mỗi nguyên tử nhận được một electron của cặp dùng chung; gốc tự do: Một loài có electron chưa ghép đôi, rất hoạt động; khởi đầu: Bước đầu tiên tạo ra các gốc tự do; lan truyền: Một bước trong chuỗi tiêu thụ một gốc tự do và tạo ra một gốc tự do khác; kết thúc: Bước loại bỏ gốc tự do bằng cách kết hợp hai gốc tự do lại với nhau.
Chọn bằng chứng để kiểm định mô hình
Phản ứng cần ánh sáng UV hoặc nhiệt để bắt đầu nhưng sau đó tiếp tục tự phát — chứng minh cho cơ chế chuỗi trong đó mỗi bước tái tạo lại gốc tự do. Lượng nhỏ ethane xuất hiện trong sản phẩm cho thấy hai gốc •CH₃ đã kết hợp trong bước kết thúc.
Hỗn hợp CH₃Cl, CH₂Cl₂, CHCl₃ và CCl₄ hình thành vì sản phẩm vẫn còn liên kết C–H mở để tiếp tục quá trình lan truyền; tính thuần khiết của sản phẩm thế đơn là bằng chứng phản đối con đường không phải là chuỗi được kiểm soát.
Bắt đầu từ các đại lượng đã biết
Nêu các giá trị đã biết và đơn vị của chúng. Chọn công thức vì các giả thiết của nó phù hợp với trường hợp này, sau đó biến đổi trước khi thay số.
Đã biết: enthalpy liên kết là Cl–Cl 242 kJ/mol và C–H 413 kJ/mol. Sự phá vỡ liên kết là quá trình thu nhiệt, nên liên kết yếu hơn sẽ bị phá vỡ trước. So sánh hai liên kết: 413 − 242 = 171 kJ/mol năng lượng thấp hơn để phá vỡ Cl–Cl, đây là lý do ánh sáng UV khởi đầu chuỗi bằng cách làm vỡ clo chứ không phải methane.
Ví dụ:
Enthalpy liên kết H–Cl là 431 kJ/mol và liên kết C–Cl trong CH₃Cl là 339 kJ/mol. Đối với bước lan truyền CH₄ + Cl• → •CH₃ + HCl, ước tính biến thiên năng lượng theo cùng trình tự: các đại lượng đã biết → mô hình → mối liên hệ → thay số → đơn vị và diễn giải. (Đáp án: phá C–H (+413), tạo H–Cl (−431): ΔH ≈ 413 − 431 = −18 kJ/mol — hơi tỏa nhiệt, nên bước này diễn ra thuận lợi ngay khi các gốc tự do đã xuất hiện.)
Kiểm tra kết luận và giới hạn của nó
Enthalpy liên kết là giá trị trung bình đo đạc trên nhiều hợp chất, nên ước tính từ chúng mang tính xấp xỉ, không chính xác tuyệt đối. Mô hình chuỗi cho phản ứng này giải thích việc khởi đầu bằng UV và hỗn hợp sản phẩm; nó không mô tả các tác nhân phân cực, nơi áp dụng cơ chế dị phân (electron-CẶP) — mô hình của bài học tiếp theo.
Quay trở lại quan sát ban đầu. Giải thích kết quả hỗ trợ điều gì, những điều kiện nào mà nó giả định, và một cách để kiểm chứng một giải thích cạnh tranh.
Cảnh báo:
Trong phản ứng thế gốc, mọi nguyên tử clo đều bị gắn vào phân tử methane. Nhận định này sai: bước kết thúc nối các gốc tự do với nhau (Cl• + Cl• → Cl₂, hoặc hai •CH₃ → C₂H₆), và quá trình lan truyền tiếp tục thế các sản phẩm, nên kết quả luôn là hỗn hợp.
Tóm tắt:
Phản ứng chia sẻ electron: phân li đồng phân tách cặp dùng chung thành một electron mỗi phía, sinh ra gốc tự do; mũi tên móc cá theo dõi chuyển động của từng electron riêng lẻ. Chuỗi thế gốc tự do đi qua ba giai đoạn: khởi đầu, lan truyền và kết thúc, điều này giải thích kích hoạt bởi UV và sự tạo thành hỗn hợp sản phẩm.
Nhiều chủ đề hơn trong Tổ chức Baccalaureate Quốc tế · IB Diploma · Chemistry · HL
