Introduktion till kemi

Termer

• BindningsenergiEtt mått på en kemisk bindnings styrka. Den bestäms experimentellt genom att mäta den värme (eller entalpi) som krävs för att bryta upp en mol av molekyler i sina ingående enskilda atomer.
• enthalpI termodynamiken är ett mått på värmeinnehållet i ett kemiskt eller fysikaliskt system, mätt under förhållanden med konstant tryck.
• Morse-kurvaEn plott som visar beroendet av energin som är förknippad med ett system av två atomer på avståndet mellan dem (kallat ”internuclear distance”).
• jämviktsbindningslängdDet genomsnittliga avståndet mellan två atomer när de är bundna till varandra.

Energin som är förknippad med en kemisk bindning

Bindningsenergin är ett mått på en kemisk bindnings styrka, det vill säga att den talar om hur troligt det är att ett atompar förblir bundna i närvaro av energistörningar. Alternativt kan den ses som ett mått på den stabilitet som uppnås när två atomer binder sig till varandra, i motsats till deras fria eller obundna tillstånd.

Bindningsenergin bestäms genom att mäta den värme som krävs för att bryta upp en mol av molekyler i deras enskilda atomer, och den representerar den genomsnittliga energin som är förknippad med att bryta de enskilda bindningarna i en molekyl. Ju högre bindningsenergi, desto ”starkare” säger vi att bindningen är mellan de två atomerna, och avståndet mellan dem (bindningslängden) är mindre.

Till exempel kräver HO-H-bindningen i en vattenmolekyl 493 kJ/mol för att brytas och generera hydroxidjonen (OH-). För att bryta O-H-bindningen i hydroxidjonen krävs ytterligare 424 kJ/mol. Därför rapporteras bindningsenergin för de kovalenta O-H-bindningarna i vatten vara genomsnittet av de två värdena, dvs. 458,9 kJ/mol. Dessa energivärden (493 och 424 kJ/mol) som krävs för att bryta på varandra följande O-H-bindningar i vattenmolekylen kallas ”bindningsdissociationsenergier” och skiljer sig från bindningsenergin. Bindningsenergin är genomsnittet av bindningsdissociationsenergierna i en molekyl.

De exakta egenskaperna hos en viss typ av bindning bestäms delvis av arten av de andra bindningarna i molekylen; till exempel kommer energin och längden hos C-H-bindningen att variera beroende på vilka andra atomer som är bundna till kolatomen. På samma sätt kan C-H-bindningens längd variera med så mycket som 4 % mellan olika molekyler. Av denna anledning är de värden som anges i tabeller över bindningsenergi och bindningslängd vanligen medelvärden tagna över en mängd olika föreningar som innehåller ett visst atompar.

Vi kan tillämpa värden för bindningsenergi för att bestämma entalpi för bildandet av en förening, \Delta H_f, som kan approximeras grovt genom att helt enkelt addera tabellerade värden för bindningsenergierna för alla skapade bindningar. Noggrannheten hos denna metod ligger inom några få procent av de experimentellt bestämda \Delta H_f-värdena.

Energin mellan två atomer som funktion av internukleärt avstånd

En Morsekurva visar hur energin i ett system med två atomer förändras som en funktion av internukleärt avstånd.

På stora avstånd är energin noll, vilket innebär att det inte finns någon växelverkan. Detta stämmer överens med vår uppfattning att två atomer som är placerade oändligt långt ifrån varandra inte interagerar med varandra på något meningsfullt sätt, eller åtminstone kan vi säga att de inte är bundna till varandra. Vid avstånd mellan atomkärnorna i storleksordningen av en atomdiameter dominerar de attraktiva krafterna. Vid mycket små avstånd mellan de två atomerna är kraften avstötande och energin i systemet med två atomer är mycket hög. De attraktiva och repulsiva krafterna är balanserade vid minimipunkten i en morsekurva.

Det interkärniga avstånd vid vilket energiminimum inträffar definierar jämviktsbindningslängden. Denna bindningslängd representerar ett ”jämviktsvärde” eftersom termisk rörelse får de två atomerna att vibrera kring detta avstånd, ungefär som en fjäder vibrerar fram och tillbaka kring sitt osträckta, eller jämviktsavstånd.

En morsekurva kommer att ha olika energiminimum och avståndsberoende för bindningar som bildas mellan olika par av atomer. I allmänhet gäller att ju starkare bindningen mellan två atomer är, desto lägre är energiminimumet och desto mindre är bindningslängden.

Bindningsenergin är den mängd arbete som måste utföras för att dra två atomer helt isär; den är med andra ord densamma som djupet på ”brunnen” i den potentiella energikurvan.