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9.13: 键能和键长
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Bond Energies and Bond Lengths
 
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9.13: 键能和键长

存在稳定的分子是因为共价键将原子结合在一起。共价键的强度通过使其断裂所需的能量,即分离键合原子所需的能量来测量。分离任何一对键合原子都需要能量—键越强,打破它所需的能量就越大。

打破一摩尔气态分子中特定共价键所需的能量称为键能或键离解能。双原子分子的键能D X&Y 定义为吸热反应的标准焓变:

Eq1

例如,纯共价H–H键的键能DH–H为436 kJ / mol的H–H键断裂:

Eq2

具有三个或更多个原子的分子具有两个或更多个键。这种分子中所有键能的总和等于吸热反应的标准焓变,该吸热反应破坏了分子中的所有键。例如,CH 4 中四个C–H键能之和为1660 kJ,等于反应的标准焓变:

Figure1

平均C–H键能DC–H为1660/4 = 415 kJ / mol,因为每摩尔反应有4摩尔C–H键断裂。尽管四个C–H键在原始分子中是等效的,但它们并不需要相同的能量才能断裂。一旦第一个键断裂(需要439 kJ / mol),其余键就更容易断裂。 415 kJ / mol的值是平均值,不是打破任何一个键所需的精确值。

两个原子之间的键强度随着键中电子对数量的增加而增加。通常,随着粘结强度的增加,粘结长度减小。因此,三键比相同两个原子之间的双键强和短。同样,双键比相同两个原子之间的单键强和短。当一个原子与基团中的各个原子键合时,键合强度通常会随着我们向下移动基团而降低。例如,C–F为439 kJ / mol,C Cl为330 kJ / mol,C–Br为275 kJ / mol。

键能可用于计算反应的近似焓变,也称为键焓,其中没有形成焓。这种类型的计算还将告诉反应是放热的还是吸热的。当产物中的键强于反应物中的键时,发生放热反应(ΔH为负,产生热量)。当产物中的键比反应物中的键弱时,就会发生吸热反应(ΔH为正,吸收热量)。

化学反应的焓变ΔH大约等于打破反应物中所有键所需的能量之和(能量“ in”,正号)加上产品中所有键均形成时释放的能量(能量“出”负号)。可以通过以下方式用数学方式表示:

Eq3

在此表达式中,符号Ʃ表示“和”。 D表示键能,单位为kJ / mol,始终为正数。键能取决于特定键是单键,双键还是三键。因此,在以这种方式计算焓时,重要的是考虑所有反应物和产物中的键合。由于D值通常是许多不同分子中一种键的平均值,因此该计算提供了反应焓的粗略估计,而不是精确值。

请考虑以下反应:

Eq4

Eq5

为了形成两摩尔的HCl,必须断开一摩尔的H–H键和一摩尔的Cl–Cl键。破坏这些键所需的能量是H–H键(436kJ / mol)和Cl–Cl键(243kJ / mol)的键能之和。在反应过程中,形成两个摩尔的HCl键(键能= 432kJ / mol),释放2倍。 432 kJ;或864 kJ。因为产物中的键比反应物中的键更牢固,所以反应释放的能量多于消耗的能量:

Eq6

Eq7

这些多余的能量以热量的形式释放出来,因此反应是放热的。

此文本改编自 Openstax ,化学2e,第7.5节:键强度:共价键。

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