Einführung in die Chemie

Begriffe

• BindungsenergieEin Maß für die Stärke einer chemischen Bindung. Sie wird experimentell bestimmt, indem man die Wärme (oder Enthalpie) misst, die erforderlich ist, um ein Molekül in seine einzelnen Atome aufzuspalten.
• EnthalpieIn der Thermodynamik ein Maß für den Wärmeinhalt eines chemischen oder physikalischen Systems, das unter konstanten Druckbedingungen gemessen wird.
• Morse-KurveEin Diagramm, das die Abhängigkeit der mit einem System aus zwei Atomen verbundenen Energie vom Abstand zwischen ihnen zeigt (als „innerer Kernabstand“ bezeichnet).
• GleichgewichtsbindungslängeDer durchschnittliche Abstand zwischen zwei Atomen, wenn sie aneinander gebunden sind.

Die mit einer chemischen Bindung verbundene Energie

Die Bindungsenergie ist ein Maß für die Stärke einer chemischen Bindung, d. h. sie gibt an, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Atompaar in Gegenwart von Energiestörungen gebunden bleibt. Sie kann auch als Maß für die Stabilität angesehen werden, die sich ergibt, wenn zwei Atome aneinander gebunden sind, im Gegensatz zu ihren freien oder ungebundenen Zuständen.

Die Bindungsenergie wird durch Messung der Wärme bestimmt, die erforderlich ist, um ein Molekül in seine einzelnen Atome aufzuspalten, und sie stellt die durchschnittliche Energie dar, die mit dem Aufbrechen der einzelnen Bindungen eines Moleküls verbunden ist. Je höher die Bindungsenergie ist, desto „stärker“ ist die Bindung zwischen den beiden Atomen und desto geringer ist der Abstand zwischen ihnen (Bindungslänge).

Zum Beispiel erfordert die HO-H-Bindung in einem Wassermolekül 493 kJ/mol, um zu brechen und das Hydroxidion (OH-) zu erzeugen. Das Brechen der O-H-Bindung im Hydroxidion erfordert zusätzliche 424 kJ/mol. Daher wird die Bindungsenergie der kovalenten O-H-Bindungen in Wasser als Durchschnitt der beiden Werte angegeben, d. h. 458,9 kJ/mol. Diese Energiewerte (493 und 424 kJ/mol), die erforderlich sind, um aufeinander folgende O-H-Bindungen im Wassermolekül zu brechen, werden als „Bindungsdissoziationsenergien“ bezeichnet und unterscheiden sich von der Bindungsenergie. Die Bindungsenergie ist der Durchschnitt der Bindungsdissoziationsenergien in einem Molekül.

Die genauen Eigenschaften einer bestimmten Art von Bindung werden zum Teil durch die Art der anderen Bindungen im Molekül bestimmt; zum Beispiel hängen die Energie und die Länge der C-H-Bindung davon ab, welche anderen Atome an das Kohlenstoffatom gebunden sind. Ebenso kann die Länge der C-H-Bindung zwischen verschiedenen Molekülen um bis zu 4 % variieren. Aus diesem Grund handelt es sich bei den in Tabellen aufgeführten Werten für Bindungsenergie und Bindungslänge in der Regel um Durchschnittswerte für eine Vielzahl von Verbindungen, die ein bestimmtes Atompaar enthalten.

Wir können die Werte für die Bindungsenergie verwenden, um die Bildungsenthalpie einer Verbindung, \Delta H_f, zu bestimmen, die grob angenähert werden kann, indem einfach die tabellierten Werte für die Bindungsenergien aller gebildeten Bindungen addiert werden. Die Genauigkeit dieser Methode liegt innerhalb weniger Prozent der experimentell ermittelten \Delta H_f-Werte.

Energie zwischen zwei Atomen als Funktion des Kernabstands

Eine Morsekurve zeigt, wie sich die Energie eines Zwei-Atom-Systems als Funktion des Kernabstands ändert.

Bei großen Abständen ist die Energie gleich Null, was bedeutet, dass keine Wechselwirkung besteht. Dies stimmt mit unserem Verständnis überein, dass zwei Atome, die unendlich weit voneinander entfernt sind, in keiner sinnvollen Weise miteinander wechselwirken, oder zumindest können wir sagen, dass sie nicht aneinander gebunden sind. Bei innerkernigen Abständen in der Größenordnung eines Atomdurchmessers überwiegen die Anziehungskräfte. Bei sehr geringen Abständen zwischen den beiden Atomen wirkt die Kraft abstoßend und die Energie des Systems aus zwei Atomen ist sehr hoch. Die anziehenden und abstoßenden Kräfte halten sich am Minimalpunkt der Morsekurve die Waage.

Der innere Kernabstand, bei dem das Energieminimum auftritt, definiert die Gleichgewichtsbindungslänge. Diese Bindungslänge stellt einen „Gleichgewichtswert“ dar, weil thermische Bewegung die beiden Atome dazu veranlasst, um diesen Abstand zu schwingen, ähnlich wie eine Feder um ihren ungedehnten oder Gleichgewichtsabstand hin und her schwingt.

Eine Morsekurve weist unterschiedliche Energieminima und Abstandsabhängigkeiten für Bindungen auf, die zwischen verschiedenen Atompaaren gebildet werden. Im Allgemeinen gilt: Je stärker die Bindung zwischen zwei Atomen ist, desto niedriger ist das Energieminimum und desto kleiner ist die Bindungslänge.

Die Bindungsenergie ist die Arbeit, die geleistet werden muss, um zwei Atome vollständig auseinander zu ziehen; mit anderen Worten, sie ist dasselbe wie die Tiefe des „Brunnens“ in der Kurve der potentiellen Energie.