Back to chapter

9.13:

طاقات الروابط وأطوال الروابط

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Bond Energies and Bond Lengths

Languages

Share

كل تفاعل كيميائي،مرتبط مع تغيير في المحتوى الحراري،مما يساعد لتحديد ما إذا كانت الطاقة تُصدر أو تُطلب أثناء التفاعل. يمكن تقدير هذا التغير في المحتوى الحراري،باستخدام متوسط طاقات الرابطة. الطاقة المطلوبة لكسر رابطة معينة في 1 مول من مركب كيميائي غازي،تسمى طاقة الرابطة ويتم التعبير عنها بالكيلوجول لكل مول.تعتمد هذه الطاقة على نوع الذرات المترابطة،وعدد أزواج الإلكترونات المشتركة. عادة ما يتم التعبير عن طاقة الرابطة،كمتوسط من طاقات الرابطة،لنفس الرابطة في مركبات مختلفة. يمكن استخدام متوسط طاقة الرابطة،لتحديد ما إذا كان التفاعل الكيميائي طارد للحرارة أو ماص للحرارة.ضع في اعتبارك تفاعل الإيثين والبروم لتكوين 1،2-ثنائي بروموإيثان. مبدئياًالرابطة الثنائية للكربون والأحادية للبروم تتكسر و هي عملية تتطلب مدخلات طاقة،مما يزيد من الطاقة الكامنة للذرات. لذلك،فإن كسر الرابطة هو عملية ماصة للحرارة مع تغيير إيجابي في المحتوى الحراري.بعد ذلك،يتم تشكيل روابط جديدة بين ذرات الكربون والبروم التي توجد النواتج. يزيد تكوين الرابطة من استقرار الجزيء،عن طريق تقليل الطاقة الكامنة. لذلك،فإن تكوين الرابطة هو عملية طاردة للحرارة،مما يتسبب في تغير سلبي في المحتوى الحراري.وفقًا لقانون هيس،مجموع تغير المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة والنواتج،يساوي التغير في المحتوى الحراري الكلي للتفاعل. إن التغير في المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة،هو مجموع المحتوى الحراري للروابط المكسور،بينما تغير المحتوى الحراري للنواتج،هو مجموع المحتوى الحراري للروابط الجديدة المتكونة. لذلك،فإن تكوين 1،2-ثنائي بروموإيثان،بمحتوى حراري 255 كيلوجول لكل مول،هو تفاعل ماص للحرارة.بالإضافة إلى المحتوى الحراري للروابط،نوع الروابط والذرات المترابطة تؤثر أيضًا على طول الرابطة،وهو متوسط المسافة بين نواتي ذرتي الرابطة. ضع في اعتبارك،الروابط المختلفة بين ذرتين نيتروجين و ذرتين كربون. الذرات ذات الروابط المتعددة،مثل الروابط الثلاثية،تتماسك معًا بشكل أكثر إحكامًا،مما يؤدي إلى روابط أقصر وأقوى.وبالتالي،يكون الجزيء أكثر استقرارًا ويتطلب طاقة أعلى للانفصال. بشكل عام،تتناسب قوة الرابطة طردياًمع طول الرابطة،مع بعض الاستثناءات.

9.13:

طاقات الروابط وأطوال الروابط

توجد الجزيئات المستقرة لأن الروابط التساهمية تربط الذرات ببعضها البعض. تقاس قوة الرابطة التساهمية بالطاقة اللازمة لكسرها، أي الطاقة اللازمة لفصل الذرات المترابطة. يتطلب فصل أي زوج من الذرات المترابطة طاقة — كلما كانت الرابطة أقوى، زادت الطاقة اللازمة لكسرها.

تُسمى الطاقة المطلوبة لكسر رابطة تساهمية معينة في مول واحد من الجزيئات الغازية طاقة الرابطة أو طاقة تفكك الرابطة. تُعرَّف طاقة الرابطة لجزيء ثنائي الذرة ، DX–Y، على أنها تغيير المحتوى الحراري القياسي للتفاعل الماص للحرارة:

Eq1

على سبيل المثال، طاقة الرابطة للرابطة التساهمية H–H، DH–H هي 436 كيلوجول/مول من روابط H–H مكسورة:

Eq2

الجزيئات التي تحتوي على ثلاث ذرات أو أكثر لها رابطان أو أكثر. مجموع كل طاقات الرابطة في مثل هذا الجزيء يساوي التغير القياسي في المحتوى الحراري للتفاعل الماص للحرارة الذي يكسر جميع الروابط في الجزيء. على سبيل المثال ، مجموع طاقات الرابطة الأربعة C–H في CH4 ، 1660 كيلوجول، يساوي تغير المحتوى الحراري القياسي للتفاعل:

Figure1

متوسط طاقة الرابطة C–H، DC–H هو 1660/4 = 415 كيلوجول/مول نظراً لوجود أربعة مولات من روابط C–H مكسورة لكل مول من التفاعل. على الرغم من أن الروابط الأربعة C–H متكافئة في الجزيء الأصلي، إلا أنها لا تتطلب نفس الطاقة للكسر؛ بمجرد كسر الرابطة الأولى (التي تتطلب 439 كيلوجول/مول)، يصبح كسر الروابط المتبقية أسهل. قيمة 415 كيلوجول/مول هي القيمة المتوسطة وليست القيمة الدقيقة المطلوبة لكسر أي سند واحد.

تزداد قوة الرابطة بين ذرتين مع زيادة عدد أزواج الإلكترونات في الرابطة. بشكل عام، كلما زادت قوة الرابطة، يتناقص طول الرابطة. وبالتالي، فإن الروابط الثلاثية أقوى وأقصر من الروابط المزدوجة بين نفس الذرتين؛ وبالمثل، فإن الروابط المزدوجة أقوى وأقصر من الروابط الفردية بين نفس الذرتين. عندما ترتبط ذرة واحدة بذرات مختلفة في مجموعة، تنخفض قوة الرابطة عادةً مع تحركنا أسفل المجموعة. على سبيل المثال، C–F هو 439 كيلوجول/مول، C–Cl هو 330 كيلوجول/مول، و C–Br هو 275 كيلوجول/مول.

يمكن استخدام طاقات الرابطة لحساب التغيرات التقريبية في المحتوى الحراري للتفاعلات، وتسمى أيضاً المحتوى الحراري للرابطة، حيث لا تتوفر المحتوى الحراري للتكوين. ستحدد الحسابات من هذا النوع أيضاً ما إذا كان التفاعل طارداً للحرارة أم ماصاً للحرارة. ينتج تفاعل طارد للحرارة (ΔH سلبي، ينتج حرارة) عندما تكون الروابط في المنتجات أقوى من الروابط في المواد المتفاعلة. ينتج تفاعل ماص للحرارة (ΔH إيجابي، ممتص للحرارة) عندما تكون الروابط في المنتجات أضعف من تلك الموجودة في المواد المتفاعلة.

إن التغير في المحتوى الحراري ، ΔH، للتفاعل الكيميائي يساوي تقريباً مجموع الطاقة المطلوبة لكسر جميع الروابط في المواد المتفاعلة (طاقة “داخلة”، علامة موجبة) زائد الطاقة المنبعثة عندما تتشكل جميع الروابط في المنتجات (طاقة “خارجة”، علامة سلبية). يمكن التعبير عن ذلك رياضياً بالطريقة التالية:

Eq3

في هذا التعبير، الرمز Ʃ يعني “مجموع“ ويمثل D طاقة الرابطة بوحدة كيلوجول/مول، والتي تكون دائماً رقماً موجباً. ستعتمد طاقة الرابطة على ما إذا كانت الرابطة المعينة رابطة فردية أو مزدوجة أو ثلاثية. وبالتالي، عند حساب المحتوى الحراري بهذه الطريقة، من المهم مراعاة الترابط في جميع المواد المتفاعلة والمنتجات. نظراً لأن قيم D عادةً ما تكون متوسطات لنوع واحد من الروابط في العديد من الجزيئات المختلفة، فإن هذا الحساب يوفر تقديراً تقريبياً، وليس قيمة دقيقة، للمحتوى الحراري للتفاعل.

ضع في اعتبارك التفاعل التالي:

Eq4

or

Eq5

لتكوين مولين من حمض الهيدروكلوريك، يجب كسر مول واحد من روابط H–H وواحد من روابط Cl–Cl. الطاقة المطلوبة لكسر هذه الروابط هي مجموع طاقة الرابطة H–H؛ H bond (436 كيلوجول/مول) و Cl–Cl؛ Cl bond (243 كيلوجول/مول). أثناء التفاعل، يتم تكوين مولين من روابط H–Cl (طاقة الرابطة = 432 كيلوجول/مول)، محرّرة 2 × 432 كيلوجول; أو 864 كيلوجول. نظراً لأن الروابط في المنتجات أقوى من تلك الموجودة في المواد المتفاعلة، فإن التفاعل يطلق طاقة أكثر مما يستهلكه:

Eq6

Eq7

يتم إطلاق هذه الطاقة الزائدة على شكل حرارة، وبالتالي يكون التفاعل طارداً للحرارة.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Bond Strength: Covalent Bonds.