Johdatus kemiaan

Termit

• SidosenergiaKemiallisen sidoksen lujuuden mitta. Se määritetään kokeellisesti mittaamalla lämpö (tai entalpia), joka tarvitaan moolin molekyylin hajottamiseen sen muodostaviin yksittäisiin atomeihin.
• entalpiaTermodynamiikassa kemiallisen tai fysikaalisen systeemin lämpösisällön mitta, joka mitataan vakiopaineolosuhteissa.
• Morse-käyräDiagrammi, jossa esitetään kahden atomin systeemiin liittyvän energian riippuvuus niiden välisestä etäisyydestä (jota kutsutaan ”sisäydinetäisyydeksi”).
• Tasapainosidoksen pituusKahden atomin keskimääräinen etäisyys, kun ne ovat sitoutuneet toisiinsa.

Kemialliseen sidokseen liittyvä energia

Sidosenergia on kemiallisen sidoksen lujuuden mittari eli se kertoo, kuinka todennäköisesti atomipari pysyy sitoutuneena energiahäiriöiden vaikutuksesta. Vaihtoehtoisesti sitä voidaan ajatella mittana vakaudesta, joka saavutetaan, kun kaksi atomia sitoutuu toisiinsa, toisin kuin niiden vapaassa tai sitoutumattomassa tilassa.

Sidosenergia määritetään mittaamalla lämpö, joka tarvitaan yhden moolin molekyylin hajottamiseen sen yksittäisiin atomeihin, ja se edustaa keskimääräistä energiaa, joka liittyy molekyylin yksittäisten sidosten katkaisemiseen. Mitä suurempi sidosenergia on, sitä ”vahvemmaksi” sanomme sidoksen kahden atomin välillä, ja niiden välinen etäisyys (sidospituus) on pienempi.

Vesimolekyylin HO-H-sidos esimerkiksi vaatii 493 kJ/mol rikkoontuakseen ja tuottaakseen hydroksidi-ionin (OH-). Hydroksidi-ionin O-H-sidoksen katkaiseminen vaatii lisäksi 424 kJ/mol. Näin ollen veden kovalenttisten O-H-sidosten sidosenergian ilmoitetaan olevan näiden kahden arvon keskiarvo eli 458,9 kJ/mol. Näitä energia-arvoja (493 ja 424 kJ/mol), joita tarvitaan peräkkäisten O-H-sidosten katkaisemiseen vesimolekyylissä, kutsutaan ”sidosten dissosiaatioenergioiksi”, ja ne eroavat sidosenergiasta. Sidosenergia on molekyylin sidosten dissosiaatioenergioiden keskiarvo.

Tietyntyyppisen sidoksen tarkat ominaisuudet määräytyvät osittain molekyylin muiden sidosten luonteen mukaan; esimerkiksi C-H-sidoksen energia ja pituus vaihtelevat sen mukaan, mitä muita atomeja hiiliatomiin on sitoutunut. Samoin C-H-sidoksen pituus voi vaihdella jopa 4 % eri molekyylien välillä. Tästä syystä sidosenergiaa ja sidospituutta koskevissa taulukoissa esitetyt arvot ovat yleensä keskiarvoja, jotka on otettu eri yhdisteistä, jotka sisältävät tietyn atomiparin.

Voidaan käyttää sidosenergia-arvoja yhdisteen muodostumisen entalpian, \Delta H_f, määrittämiseen, joka voidaan karkeasti approksimoida yksinkertaisesti laskemalla yhteen taulukoidut arvot kaikkien syntyneiden sidosten sidosenergioille. Tämän menetelmän tarkkuus on muutaman prosentin sisällä kokeellisesti määritetyistä \Delta H_f -arvoista.

Kahden atomin välinen energia sisäydinetäisyyden funktiona

Morse-käyrä osoittaa, miten kahden atomin systeemin energia muuttuu sisäydinetäisyyden funktiona.

Suurilla etäisyyksillä energia on nolla, eli vuorovaikutusta ei ole. Tämä vastaa käsitystämme siitä, että kaksi äärettömän kauas toisistaan sijoitettua atomia ei vuorovaikuta toistensa kanssa millään merkityksellisellä tavalla, tai ainakin voidaan sanoa, että ne eivät ole sidoksissa toisiinsa. Ytimen sisäisillä etäisyyksillä, jotka ovat atomin halkaisijan luokkaa, vetovoimat hallitsevat. Hyvin pienillä atomien välisillä etäisyyksillä voima on repulsiivinen, ja kahden atomin järjestelmän energia on hyvin suuri. Vetävät ja hylkivät voimat tasapainottuvat Morse-käyrän kuvaajan minimipisteessä.

Sisäydinetäisyys, jolla energian minimi tapahtuu, määrittää tasapainosidospituuden. Tämä sidospituus edustaa ”tasapainoarvoa”, koska lämpöliike saa kaksi atomia värähtelemään tämän etäisyyden ympärillä samaan tapaan kuin jousi värähtelee edestakaisin venymättömän eli tasapainoetäisyytensä ympärillä.

Morse-käyrällä on erilaiset energiaminimit ja etäisyysriippuvuudet eri atomiparien välillä muodostetuille sidoksille. Yleensä mitä vahvempi sidos on kahden atomin välillä, sitä alhaisempi on energiaminimi ja sitä pienempi on sidospituus.

Sidosenergia on se työmäärä, joka on tehtävä, jotta kaksi atomia saadaan vedettyä täysin erilleen toisistaan; toisin sanoen se on sama kuin potentiaalienergiakäyrän ”kuopan” syvyys.

.