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9.13:

Bindungsenergien und Bindungslängen

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Chemistry
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Bond Energies and Bond Lengths

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Jede chemische Reaktion ist mit einer Enthalpieänderung verbunden, die mitbestimmt, ob bei der Reaktion Energie freigesetzt oder benötigt wird. Diese Enthalpieänderung kann anhand der durchschnittlichen Bindungsenergien abgeschätzt werden. Die Energie, die erforderlich ist, um ein Mol einer bestimmten Bindung in eine gasförmige chemische Verbindung umzuwandeln, wird als Bindungsenergie bezeichnet und in kJ/mol ausgedrückt.Diese Energie hängt von der Art der gebundenen Atome und der Anzahl der gemeinsamen Elektronenpaare ab. Die Bindungsenergie wird normalerweise als Durchschnitt der Bindungsenergien der gleichen Bindung in verschiedenen Verbindungen ausgedrückt. Die durchschnittliche Bindungsenergie kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine chemische Reaktion exotherm oder endotherm ist.Man betrachte Ethen und Brom, die mit einander reagieren um 1, 2-Dibromethan zu bilden. Zuerst brechen die Kohlenstoff-Doppelbindung und die Brom-Einfachbindung ein Prozess, der Energiezufuhr benötigt, wodurch die potentielle Energie der Atome erhöht wird. Daher ist das Bindungsbrechen ein endothermer Prozess mit einer positiven Änderung der Enthalpie.Anschließend werden neue Bindungen zwischen Kohlenstoff-und Bromatomen gebildet, die das Produkt ergeben. Die Bindungsbildung erhöht die Stabilität des Moleküls, indem die potentielle Energie verringert wird. Daher ist die Bindungsbildung ein exothermer Prozess, der eine negative Änderung der Enthalpie bewirkt.Nach dem Hess’schen Gesetz ist die Summe der Enthalpieänderungen von Reaktanten und Produkten gleich der Änderung der Gesamtenthalpie einer Reaktion. Die Enthalpieänderung der Reaktanten ist die Summe der Enthalpie der aufgebrochenen Bindungen, während die Enthalpieänderung der Produkte die Summe der Enthalpie der neu gebildeten Bindungen ist. Daher ist die Bildung von 1, 2-Dibromethan mit einer Enthalpie von 255 kJ/mol eine endotherme Reaktion.Neben den Bindungsenthalpien beeinflusst auch die Bindungsart und die Bindungslänge der verbundenen Atome, die den durchschnittlichen Abstand zwischen den Kernen zweier verbundener Atome angibt. Betrachten Sie die unterschiedlichen Bindungen zwischen zwei Stickstoffatomen und zwei Kohlenstoffatomen. Atome mit Mehrfachbindungen, wie z.B.Dreifachbindungen, werden fester zusammengehalten, was zu kürzeren und stärkeren Bindungen führt. Folglich ist das Molekül stabiler und benötigt zur Dissoziation eine höhere Energie. Im Allgemeinen ist die Bindungsstärke bis auf einige Ausnahmen indirekt proportional zur Bindungslänge.

9.13:

Bindungsenergien und Bindungslängen

Stable molecules exist because covalent bonds hold the atoms together. The strength of a covalent bond is measured by the energy required to break it, that is, the energy necessary to separate the bonded atoms. Separating any pair of bonded atoms requires energy — the stronger a bond, the greater the energy required to break it.

The energy required to break a specific covalent bond in one mole of gaseous molecules is called the bond energy or the bond dissociation energy. The bond energy for a diatomic molecule, DX–Y, is defined as the standard enthalpy change for the endothermic reaction:

Eq1

For example, the bond energy of the pure covalent H–H bond, DH–H, is 436 kJ/mol of H–H bonds broken:

Eq2

Molecules with three or more atoms have two or more bonds. The sum of all bond energies in such a molecule is equal to the standard enthalpy change for the endothermic reaction that breaks all the bonds in the molecule. For example, the sum of the four C–H bond energies in CH4, 1660 kJ, is equal to the standard enthalpy change of the reaction:

Figure1

The average C–H bond energy, DC–H, is 1660/4 = 415 kJ/mol because there are four moles of C–H bonds broken per mole of the reaction. Although the four C–H bonds are equivalent in the original molecule, they do not each require the same energy to break; once the first bond is broken (which requires 439 kJ/mol), the remaining bonds are easier to break. The 415 kJ/mol value is the average, not the exact value required to break any one bond.

The strength of a bond between two atoms increases as the number of electron pairs in the bond increases. Generally, as the bond strength increases, the bond length decreases. Thus, triple bonds are stronger and shorter than double bonds between the same two atoms; likewise, double bonds are stronger and shorter than single bonds between the same two atoms. When one atom bonds to various atoms in a group, the bond strength typically decreases as we move down the group. For example, C–F is 439 kJ/mol, C–Cl is 330 kJ/mol, and C–Br is 275 kJ/mol. 

Bond energies can be used to calculate approximate enthalpy changes for reactions, also called Bond enthalpies, where enthalpies of formation are not available. Calculations of this type will also tell whether a reaction is exothermic or endothermic. An exothermic reaction (ΔH negative, heat produced) results when the bonds in the products are stronger than the bonds in the reactants. An endothermic reaction (ΔH positive, heat absorbed) results when the bonds in the products are weaker than those in the reactants.

The enthalpy change, ΔH, for a chemical reaction is approximately equal to the sum of the energy required to break all bonds in the reactants (energy “in”, positive sign) plus the energy released when all bonds are formed in the products (energy “out,” negative sign). This can be expressed mathematically in the following way:

Eq3

In this expression, the symbol Ʃ means “the sum of” and D represents the bond energy in kJ/mol, which is always a positive number. The bond energy will depend on whether the particular bond is a single, double, or triple bond. Thus, in calculating enthalpies in this manner, it is important that the bonding in all reactants and products are considered. Because D values are typically averages for one type of bond in many different molecules, this calculation provides a rough estimate, not an exact value, for the enthalpy of reaction.

Consider the following reaction:

Eq4

or

Eq5

To form two moles of HCl, one mole of H–H bonds and one mole of Cl–Cl bonds must be broken. The energy required to break these bonds is the sum of the bond energy of the H–H bond (436 kJ/mol) and the Cl–Cl bond (243 kJ/mol). During the reaction, two moles of H–Cl bonds are formed (bond energy = 432 kJ/mol), releasing 2 × 432 kJ; or 864 kJ. Because the bonds in the products are stronger than those in the reactants, the reaction releases more energy than it consumes:

Eq6

Eq7

This excess energy is released as heat, so the reaction is exothermic.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Bond Strength: Covalent Bonds.