Tanulási cél
- A kötési energia és a szilárdság közötti kapcsolat azonosítása a kémiai kötések
Kulcspontok
- A kötési energia és a kötéshossz táblázataiban szereplő értékek az adott atompárt tartalmazó különböző vegyületek átlagai.
- A kétatomos rendszer potenciális energiájának és az atomok közötti távolságnak a grafikonja megmutatja azt a távolságot, ahol az energia a minimumon van. Ez a távolság az atomok közötti kötéshossz.
- Mennél nagyobb egy adott atompárhoz tartozó kötési energia, annál erősebbnek mondható a kötés, és annál kisebb a távolság a két atom között.
Fogalmak
- Kötési energiaA kémiai kötés erősségének mértékegysége. Kísérletileg úgy határozzák meg, hogy megmérik azt a hőt (vagy entalpiát), amely egy mólnyi molekula alkotó egyes atomjaira bontásához szükséges.
- entalpiaA termodinamikában egy kémiai vagy fizikai rendszer hőtartalmának állandó nyomás mellett mért mértéke.
- Morse-görbeA két atomból álló rendszerhez tartozó energiának a köztük lévő távolságtól (az úgynevezett “belső magtávolságtól”) való függését mutató grafikon.
- egyensúlyi kötéshosszA két atom közötti átlagos távolság, amikor azok egymáshoz kötődnek.
A kémiai kötéshez kapcsolódó energia
A kötési energia egy kémiai kötés erősségének mérőszáma, ami azt jelenti, hogy megmondja, hogy egy atompár milyen valószínűséggel marad kötésben energiaperturbációk jelenlétében. Alternatív módon úgy is felfogható, mint annak a stabilitásnak a mértéke, amelyet két atom egymáshoz való kötése során nyerünk, szemben a szabad vagy nem kötött állapotukkal.
A kötési energiát úgy határozzuk meg, hogy megmérjük azt a hőt, amely egy mól molekula egyes atomjaira való bontásához szükséges, és a molekula egyes kötéseinek felbontásához kapcsolódó átlagos energiát jelenti. Minél nagyobb a kötési energia, annál “erősebbnek” mondjuk a kötést a két atom között, és annál kisebb a köztük lévő távolság (kötéshossz).
Egy vízmolekulában például a HO-H kötés felbontásához és a hidroxidion (OH-) keletkezéséhez 493 kJ/mol szükséges. A hidroxidionban lévő O-H kötés felbontásához további 424 kJ/mol szükséges. Ezért a vízben lévő kovalens O-H kötések kötési energiája a két érték átlaga, azaz 458,9 kJ/mol. Ezeket az energiaértékeket (493 és 424 kJ/mol), amelyek a vízmolekulában az egymást követő O-H kötések felbontásához szükségesek, “kötésdisszociációs energiáknak” nevezzük, és különböznek a kötési energiától. A kötési energia a molekulában lévő kötésdisszociációs energiák átlaga.
Egy adott kötéstípus pontos tulajdonságait részben a molekulában lévő többi kötés jellege határozza meg; például a C-H kötés energiája és hossza attól függően változik, hogy milyen más atomok kapcsolódnak a szénatomhoz. Hasonlóképpen, a C-H kötés hossza akár 4%-kal is változhat a különböző molekulák között. Emiatt a kötési energiát és kötéshosszúságot tartalmazó táblázatokban szereplő értékek általában egy adott atompárt tartalmazó különböző vegyületek átlagai.
A kötési energiaértékek segítségével meghatározhatjuk a vegyület képződésének entalpiáját, \Delta H_f, amely nagyjából megközelíthető az összes létrehozott kötés kötési energiájának táblázatos értékeinek egyszerű összeadásával. E módszer pontossága a kísérletileg meghatározott \Delta H_f értékek néhány százalékán belül van.
Két atom közötti energia a magközi távolság függvényében
A Morse-görbe megmutatja, hogyan változik egy két atomos rendszer energiája a magközi távolság függvényében.
Nagy távolságok esetén az energia nulla, ami azt jelenti, hogy nincs kölcsönhatás. Ez megegyezik azzal a felfogásunkkal, hogy két egymástól végtelenül távol elhelyezett atom nem lép egymással semmilyen értelmes kölcsönhatásba, vagy legalábbis azt mondhatjuk, hogy nem kötődnek egymáshoz. Atomon belüli távolságoknál, amelyek az atomátmérő nagyságrendjébe esnek, a vonzó erők dominálnak. A két atom közötti nagyon kis távolságoknál az erő taszító, és a két atomos rendszer energiája nagyon nagy. A vonzó és taszító erők a Morse-görbe grafikonjának minimumpontjánál egyensúlyba kerülnek.
Az a belső magtávolság, ahol az energiaminimum bekövetkezik, határozza meg az egyensúlyi kötéshosszat. Ez a kötéshossz azért jelent “egyensúlyi” értéket, mert a termikus mozgás hatására a két atom e távolság körül rezeg, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy rugó is oda-vissza rezeg a kifeszítetlen vagy egyensúlyi távolsága körül.
A Morse-görbének különböző energia-minimuma és távolságfüggése lesz a különböző atompárok között létrejött kötések esetében. Általában minél erősebb a kötés két atom között, annál alacsonyabb az energiaminimum és annál kisebb a kötéshossz.
A kötési energia az a munka, amelyet ahhoz kell elvégezni, hogy két atomot teljesen széthúzzanak; más szóval, ez megegyezik a potenciális energiagörbe “mélységével”.
.