9.13: 結合エネルギーと結合の長さ

安定した分子が存在するのは、共有結合が原子をつなぎ合わせているからです。共有結合の強さは、結合を切るのに必要なエネルギー、つまり結合している原子を分離するのに必要なエネルギーで測ることができます。結合している原子のペアを切り離すにはエネルギーが必要で、結合が強ければ強いほど、切り離すのに必要なエネルギーも大きくなります。

1モルの気体分子で特定の共有結合を切断するのに必要なエネルギーを結合エネルギーまたは結合解離エネルギーと呼びます。二原子分子の結合エネルギーD_{X - Y}は、吸熱反応の標準的なエンタルピー変化として定義されます。

例えば、純粋な共有結合であるH-H結合の結合エネルギーD_H-Hは、H-H結合が壊れて436kJ/molとなります。

3つ以上の原子を持つ分子は、2つ以上の結合を持ちます。このような分子のすべての結合エネルギーの合計は、その分子のすべての結合を切断する吸熱反応の標準的なエンタルピー変化に等しいです。例えば、CH₄の4つのC-H結合エネルギーの合計である1660kJは、以下の反応の標準的なエンタルピー変化に等しいです。

C-H結合の平均エネルギーD_C-Hは1660/4=415kJ/molで、これは反応1モルあたり4モルのC-H結合が切断されるためです。4つのC-H結合は元の分子では等価であるが、それぞれが同じエネルギーを必要とするわけではなく、最初の結合（439kJ/molを必要とする）が切れれば、残りの結合はより簡単に切れます。415kJ/molという値は平均値であり、一つの結合を切るのに必要な正確な値ではありません。

2つの原子間の結合の強さは、結合内の電子対の数が増えるほど大きくなります。一般に、結合の強さが増すと、結合の長さは短くなります。したがって、同じ2つの原子の間では、三重結合は二重結合よりも強くて短く、同様に、同じ2つの原子の間では、二重結合は単結合よりも強くて短くなります。1つの原子がグループ内のさまざまな原子と結合する場合、一般的にはグループの下に行くほど結合強度が低下します。例えば、C-Fは439kJ/mol、C-Clは330kJ/mol、C-Brは275kJ/molです。

結合エネルギーは、生成エンタルピーが得られない場合に、結合エンタルピーとも呼ばれる反応のおおよそのエンタルピー変化を計算するために使用できます。このタイプの計算では、反応が発熱性か吸熱性かもわかります。発熱反応（ΔH負、発生する熱）は、生成物の結合が反応物の結合よりも強い場合に起こります。吸熱反応（ΔHが正で、吸収された熱）は、生成物の結合が反応物の結合よりも弱い場合に起こります。

<化学反応のエンタルピー変化（ΔH）は、反応物のすべての結合を切断するのに必要なエネルギー（エネルギーイン、正の符号）と、生成物にすべての結合が形成されたときに放出されるエネルギー（エネルギーアウト、負の符号）の合計にほぼ等しいです。これを数学的に表現すると、次のようになります。

この式の中で、記号Ʃはの和を意味し、Dは結合エネルギーをkJ/molで表し、常に正の数です。結合エネルギーは、特定の結合が単結合、二重結合、三重結合のいずれであるかによって異なります。したがって、この方法でエンタルピーを計算する際には、すべての反応物と生成物の結合を考慮することが重要です。D値は通常、多くの異なる分子の1種類の結合の平均値であるため、この計算は反応のエンタルピーの正確な値ではなく、大まかな推定値となります。

次のような反応を考えます。

または

2モルの塩酸HClを生成するには、1モルのH-H結合と1モルのCl-Cl結合を切断しなければなりません。これらの結合を切るのに必要なエネルギーは、H-H結合の結合エネルギー（436 kJ/mol）とCl-Cl結合の結合エネルギー（243 kJ/mol）の合計です。この反応では、2モルのH-Cl結合が形成され（結合エネルギー＝432kJ/mol）、2回分の432kJ、つまり864kJが放出されます。生成物の結合は反応物の結合よりも強いので、この反応は消費するエネルギーよりも多くのエネルギーを放出します。

この過剰エネルギーは熱として放出されるため、反応は発熱します。

本書は 、 Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Bond Strength: Covalent Bonds から引用したものです。

すべての化学反応には エンタルピーの変化が 関係しており これは反応中にエネルギーが 放出されるか 必要とされるかを 判断するのに役立ちます このエンタルピーの変化は 平均結合エネルギーを用いて 推定することができます 気体状の化合物の1モル中の 特定の結合を切るのに 必要なエネルギーは 結合エネルギーと呼ばれ 1モルあたりの キロジュールで表されます このエネルギーは 結合している原子の種類や 電子の共有対の数によって 異なります 結合エネルギーは 通常 異なる化合物中の 同じ結合の結合エネルギーの 平均値として表されます 平均結合エネルギーは 化学反応が発熱性か 吸熱性かを判断するために 使用することができます エテンと臭素が反応して 1, 2-ジブロモエタンを 生成する場合を 考えてみましょう 最初は炭素の二重結合と 臭素の単結合が切れますが これはエネルギー投入を 必要とするプロセスであり 原子のポテンシャルエネルギーを 増加させます このため 結合の切断は エンタルピーの 正の変化を伴う 吸熱反応です その後 炭素原子と 臭素原子の間に 新しい結合が形成され 生成物が得られます 結合形成は ポテンシャルエネルギーを 減少させることで 分子の安定性を高めます したがって 結合形成は 発熱性のプロセスであり エンタルピーの 負の変化を引き起こします ヘスの法則によれば 反応物と生成物の エンタルピー変化の合計は 反応全体の エンタルピー変化に 等しくなります 反応物のエンタルピー変化は 切断された結合の エンタルピーの総和であり 生成物のエンタルピー変化は 新たに形成された結合の エンタルピーの総和です したがって 1, 2-ジブロモエタンの生成は 1モルあたり255キロジュール のエンタルピーを持つ 吸熱反応となります 結合エンタルピーに加えて 結合の種類や 結合した原子の種類は 2つの結合した原子の 原子核間の平均距離である 結合長にも影響を与えます 2つの窒素原子と 2つの炭素原子の間の 異なる結合を考えてみましょう 三重結合のような 複数の結合を持つ原子は より強固に一緒に 保持されているため 短くて強い結合につながります その結果 分子はより安定で 解離に必要なエネルギーが 高くなります 一般に 結合の強さは 間接的に結合長に比例しますが 一部の例外もあります