Introduction to Chemistry

Termen

• BondsenergieEen maat voor de sterkte van een chemische binding. Zij wordt experimenteel bepaald door meting van de warmte (of enthalpie) die nodig is om een mol moleculen te splitsen in de samenstellende afzonderlijke atomen.
• enthalpieIn de thermodynamica een maat voor de warmte-inhoud van een chemisch of fysisch systeem, gemeten onder omstandigheden van constante druk.
• MorsecurveEen grafiek die de afhankelijkheid weergeeft van de energie die is verbonden met een systeem van twee atomen, met de afstand tussen die twee atomen (aangeduid als de ‘internucleaire afstand’).
• equilibratiebindingslengteDe gemiddelde afstand tussen twee atomen wanneer zij aan elkaar gebonden zijn.

De energie geassocieerd met een chemische binding

Bindingsenergie is een maat voor de sterkte van een chemische binding, wat betekent dat het ons vertelt hoe waarschijnlijk een paar atomen is om gebonden te blijven in aanwezigheid van energieverstoringen. De bindingsenergie kan ook worden beschouwd als een maat voor de stabiliteit die wordt verkregen wanneer twee atomen zich aan elkaar binden, in tegenstelling tot hun vrije of ongebonden toestand.

De bindingsenergie wordt bepaald door de warmte te meten die nodig is om één molecuul in zijn afzonderlijke atomen te breken, en zij vertegenwoordigt de gemiddelde energie die gepaard gaat met het breken van de afzonderlijke bindingen van een molecuul. Hoe hoger de bindingsenergie, hoe ‘sterker’ we zeggen dat de binding tussen de twee atomen is, en hoe kleiner de afstand tussen beide (bindingslengte) is.

Bij voorbeeld, de HO-H binding in een watermolecuul vereist 493 kJ/mol om te breken en het hydroxide-ion (OH-) te genereren. Voor het verbreken van de O-H binding in het hydroxide-ion is nog eens 424 kJ/mol nodig. Daarom wordt de bindingsenergie van de covalente O-H bindingen in water gerapporteerd als het gemiddelde van de twee waarden, of 458,9 kJ/mol. Deze energiewaarden (493 en 424 kJ/mol) die nodig zijn om opeenvolgende O-H bindingen in het watermolecuul te verbreken, worden “bindingsdissociatie-energieën” genoemd, en zij zijn verschillend van de bindingsenergie. De bindingsenergie is het gemiddelde van de bindingsdissociatie-energieën in een molecuul.

De exacte eigenschappen van een specifiek soort binding worden gedeeltelijk bepaald door de aard van de andere bindingen in het molecuul; zo zullen de energie en de lengte van de C-H binding variëren afhankelijk van welke andere atomen aan het koolstofatoom gebonden zijn. Evenzo kan de lengte van de C-H-binding tussen verschillende moleculen tot 4% verschillen. Daarom zijn de waarden in tabellen met bindingsenergie en bindingslengte meestal gemiddelden over verschillende verbindingen die een specifiek atomenpaar bevatten.

We kunnen de bindingsenergiewaarden gebruiken om de enthalpie van de vorming van een verbinding te bepalen, Delta H_f, die ruwweg kan worden benaderd door eenvoudigweg de getabelleerde waarden voor de bindingsenergieën van alle gevormde bindingen bij elkaar op te tellen. De nauwkeurigheid van deze methode ligt binnen enkele procenten van de experimenteel bepaalde Delta H_f waarden.

Energie tussen twee atomen als functie van interne atucleaire afstand

Een Morse-curve laat zien hoe de energie van een twee-atomensysteem verandert als functie van de interne atucleaire afstand.

Op grote afstanden is de energie nul, wat betekent dat er geen interactie is. Dit komt overeen met onze opvatting dat twee atomen die oneindig ver van elkaar verwijderd zijn, niet op een zinvolle manier met elkaar interageren, of dat we op zijn minst kunnen zeggen dat ze niet aan elkaar gebonden zijn. Bij interne afstanden in de orde van een atomaire diameter overheersen de aantrekkingskrachten. Bij zeer kleine afstanden tussen de twee atomen is de kracht afstotend en is de energie van het twee-atomen-systeem zeer hoog. De aantrekkende en afstotende krachten zijn in evenwicht op het minimumpunt in de plot van een morsecurve.

De internucleaire afstand waarop het energieminimum optreedt, bepaalt de evenwichtsbindingslengte. Deze bindingslengte vertegenwoordigt een ‘evenwichts’-waarde omdat thermische beweging de twee atomen rond deze afstand laat trillen, ongeveer zoals een veer heen en weer trilt rond zijn ongerekte, of evenwichtsafstand.

Een Morse-curve zal verschillende energieminima en afstandsafhankelijkheid hebben voor bindingen gevormd tussen verschillende atomenparen. In het algemeen, hoe sterker de binding tussen twee atomen, hoe lager het energieminimum is en hoe kleiner de bindingslengte.

De bindingsenergie is de hoeveelheid werk die moet worden verricht om twee atomen volledig uit elkaar te trekken; met andere woorden, het is hetzelfde als de diepte van de “put” in de potentiële energiecurve.