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 ، D_X–Y، على أنها تغيير المحتوى الحراري القياسي للتفاعل الماص للحرارة:

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

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:

متوسط طاقة الرابطة C–H، D_C–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:

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:

or

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:

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.