Læringsmål
- Identificer sammenhængen mellem bindingsenergi og styrke af kemiske bindinger
Nøglepunkter
- Værdierne i tabellerne over bindingsenergi og bindingslængde er gennemsnitsværdier taget over en række forbindelser, der indeholder et bestemt atompar.
- Et plot af den potentielle energi for et to-atomsystem og afstanden mellem atomerne afslører en afstand, hvor energien er mindst. Denne afstand er bindingslængden mellem atomerne.
- Desto højere bindingsenergi der er forbundet med et bestemt atompar, jo stærkere bindingen siges at være, og jo mindre er afstanden mellem de to atomer.
Termer
- BindelingsenergiEt mål for en kemisk bindings styrke. Den bestemmes eksperimentelt ved at måle den varme (eller enthalpi), der kræves for at bryde et mol molekyler op i de enkelte atomer, som de består af.
- enthalpiI termodynamikken er et mål for varmeindholdet i et kemisk eller fysisk system, målt under betingelser med konstant tryk.
- Morse-kurveEn kurve, der viser afhængigheden af den energi, der er forbundet med et system af to atomer, af afstanden mellem dem (benævnt “interkerneafstand”).
- Gennemsnitlig bindingslængdeDen gennemsnitlige afstand mellem to atomer, når de er bundet til hinanden.
Energien forbundet med en kemisk binding
Bindelingsenergien er et mål for en kemisk bindings styrke, hvilket betyder, at den fortæller os, hvor sandsynligt det er, at et par atomer forbliver bundet i nærvær af energistørrelser. Alternativt kan den opfattes som et mål for den stabilitet, der opnås, når to atomer binder sig til hinanden, i modsætning til deres frie eller ubundne tilstande.
Bindelingsenergien bestemmes ved at måle den varme, der kræves for at bryde et mol molekyler op i deres individuelle atomer, og den repræsenterer den gennemsnitlige energi, der er forbundet med at bryde de individuelle bindinger i et molekyle. Jo højere bindingsenergien er, jo “stærkere” siger vi, at bindingen er mellem de to atomer, og at afstanden mellem dem (bindingslængden) er mindre.
For eksempel kræver HO-H-bindingen i et vandmolekyle 493 kJ/mol for at blive brudt og generere hydroxidionen (OH-). At bryde O-H-bindingen i hydroxidionen kræver yderligere 424 kJ/mol. Derfor angives bindingsenergien for de kovalente O-H-bindinger i vand at være gennemsnittet af de to værdier, dvs. 458,9 kJ/mol. Disse energiværdier (493 og 424 kJ/mol), der kræves for at bryde på hinanden følgende O-H-bindinger i vandmolekylet, kaldes “bindingsdissociationsenergier”, og de er forskellige fra bindingsenergien. Bindingsenergien er gennemsnittet af bindingsdissociationsenergierne i et molekyle.
De nøjagtige egenskaber ved en bestemt type binding bestemmes til dels af arten af de andre bindinger i molekylet; f.eks. vil energien og længden af C-H-bindingen variere afhængigt af, hvilke andre atomer der er bundet til kulstofatomet. På samme måde kan C-H-bindingens længde variere med op til 4 % mellem forskellige molekyler. Af denne grund er de værdier, der er anført i tabeller over bindingsenergi og bindingslængde, normalt gennemsnit, der er taget over en række forbindelser, som indeholder et bestemt atompar.
Vi kan anvende værdierne for bindingsenergi til at bestemme entalpi for dannelsen af en forbindelse, \Delta H_f, som kan tilnærmes groft ved blot at tilføje tabelværdierne for bindingsenergierne for alle dannede bindinger. Nøjagtigheden af denne metode ligger inden for få procent af de eksperimentelt bestemte \Delta H_f-værdier.
Energi mellem to atomer som funktion af interkerneafstand
En Morse-kurve viser, hvordan energien i et system med to atomer ændrer sig som funktion af interkerneafstand.
I store afstande er energien nul, hvilket betyder, at der ikke er nogen vekselvirkning. Dette stemmer overens med vores forståelse af, at to atomer, der er placeret uendeligt langt fra hinanden, ikke interagerer med hinanden på nogen meningsfuld måde, eller vi kan i det mindste sige, at de ikke er bundet til hinanden. Ved indbyrdes kerneafstande i størrelsesordenen af en atomdiameter dominerer tiltrækningskræfterne. Ved meget små afstande mellem de to atomer er kraften frastødende, og energien i de to atomers system er meget høj. De tiltrækkende og frastødende kræfter er balanceret ved minimumspunktet i en Morse-kurves plot.
Den mellemkernede afstand, hvor energiminimummet opstår, definerer ligevægtsbindingslængden. Denne bindingslængde repræsenterer en “ligevægtsværdi”, fordi termisk bevægelse får de to atomer til at vibrere omkring denne afstand, ligesom en fjeder vibrerer frem og tilbage omkring sin uudstrakte eller ligevægtsafstand.
En Morsekurve vil have forskellige energiminima og afstandsafhængighed for bindinger, der dannes mellem forskellige par af atomer. Generelt gælder det, at jo stærkere bindingen mellem to atomer er, jo lavere er energiminimummet, og jo mindre er bindingslængden.
Bindingsenergien er den mængde arbejde, der skal udføres for at trække to atomer helt fra hinanden; med andre ord er den det samme som dybden af “brønden” i den potentielle energikurve.