9.13: Bağ Enerjileri ve Bağ Uzunlukları

Kovalent bağlar atomları bir arada tuttuğu için kararlı moleküller vardır. Bir kovalent bağın gücü, yani onu kırmak için gereken enerji, bağlı atomları ayırmak için gerekli enerji ile ölçülür. Herhangi bir şekilde bağlı atomları ayırmak için enerji gerekir — daha güçlü bağ, bağı kırmak için daha yüksek enerjiye ihtiyaç duyar.

Bir mol gaz halindeki moleküldeki belirli bir kovalent bağı kırmak için gereken enerjiye bağ enerjisi veya bağ ayrışma enerjisi denir. İki atomlu bir molekül olan D_X–Y için bağ enerjisi, endotermik reaksiyon için standart entalpi değişimi olarak tanımlanır:

Örneğin, sadece kovalent bağ içeren H–H bağını ele alalım. D_H–H, yani H–H bağını kırmak için gerekli enerji 436 kJ/mol'dür:

Üç veya daha fazla atomlu moleküllerin iki veya daha fazla bağı vardır. Böyle bir moleküldeki tüm bağ enerjilerinin toplamı, moleküldeki tüm bağları kıran endotermik reaksiyonun standart entalpi değişimine eşittir. Örneğin, CH₄, dört C–H bağ enerjisinin toplamı 1660 kJ'dür, bu enerji reaksiyonun standart entalpi değişimine eşittir:

Ortalama C–H bağ enerjisi, D_C–H, 1660/4 = 415 kJ / mol'dür, çünkü reaksiyonun molü başına kırılan dört mol C–H bağı vardır. Orijinal molekülde dört adet C–H bağı eşdeğer olmasına rağmen, her birinin kırılması için aynı enerjiye ihtiyacı yoktur; İlk bağ koptuğunda (439 kJ / mol gerektirir), kalan bağların kırılması daha kolaydır. 415 kJ/mol değeri, herhangi bir bağı koparmak için gereken tam değer değil, ortalamadır.

İki atom arasındaki bağın gücü, bağdaki elektron çifti sayısı arttıkça artar. Genel olarak bağ kuvveti arttıkça bağ uzunluğu azalır. Bu nedenle, üçlü bağlar, aynı iki atom arasındaki çift bağlardan daha güçlü ve daha kısadır; aynı şekilde çift bağlar, aynı iki atom arasındaki tek bağlardan daha güçlü ve daha kısadır. Bir atom bir gruptaki çeşitli atomlara bağlandığında, grupta aşağı doğru hareket ettikçe tipik olarak bağ kuvveti azalır. Örneğin, C–F 439 kJ/mol, C–Cl 330 kJ/mol ve C–Br 275 kJ/mol'dür. 

Bağ enerjileri, oluşum entalpilerinin bulunmadığı durumlarda Bağ entalpileri olarak da adlandırılan reaksiyonlar için yaklaşık entalpi değişikliklerini hesaplamak için kullanılabilir. Bu tipteki hesaplamalar ayrıca bir reaksiyonun ekzotermik mi yoksa endotermik mi olduğunu söyleyecektir. Ürünlerdeki bağlar, reaktanlardaki bağlardan daha güçlü olduğunda bir ekzotermik reaksiyon (ΔH negatif, ısı enerjisi çıkmış) ortaya çıkar. Ürünlerdeki bağlar, reaktanlardakinden daha zayıf olduğunda endotermik (ΔH pozitif, ısı enerjisi girmiş)bir reaksiyon oluşur.

Bir kimyasal reaksiyon için entalpi değişimi (ΔH), yaklaşık olarak, reaktanlardaki tüm bağları kırmak için gereken enerji (enerji “alınmış”, pozitif işaretlenir) ve artı ürünlerde tüm bağlar oluştuğunda açığa çıkan enerjinin (enerji “verilmiş” ,negatif işaretlenir) toplamına eşittir. Bu, matematiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir: ("bonds broken": kırılan bağlar, "bonds formed": oluşan bağlar)

Bu ifadede, Ʃ sembolü “toplam“ anlamına gelir ve D, her zaman pozitif bir sayı olan kJ / mol cinsinden bağ enerjisini temsil eder. Bağ enerjisi, belirli bir bağın tek, çift veya üçlü bir bağ olmasına bağlı olacaktır. Bu nedenle, entalpileri bu şekilde hesaplarken, tüm reaktanlar ve ürünlerdeki bağlanmanın dikkate alınması önemlidir. D değerleri tipik olarak birçok farklı moleküldeki tek bir bağ türü için ortalamalar olduğundan, bu hesaplama, reaksiyon entalpisi için kesin bir değer değil, kaba bir tahmin sağlar.

Aşağıdaki reaksiyonu düşünelim:

ya da

İki mol HCl oluşturmak için, bir mol H–H bağı ve bir mol Cl–Cl bağı kırılmalıdır. Bu bağları kırmak için gereken enerji, H–H bağının (436 kJ/mol) ve Cl–Cl bağının (243 kJ/mol) bağ enerjisinin toplamıdır. Reaksiyon sırasında, 2 × 432 kJ açığa çıkaran iki mol H–Cl bağı oluşur (bağ enerjisi = 432 kJ/mol); veya 864 kJ. Ürünlerdeki bağlar reaktanlardakinden daha güçlü olduğu için reaksiyon, tükettiğinden daha fazla enerji açığa çıkarır:

Bu fazla enerji ısı olarak açığa çıkar, dolayısıyla reaksiyon ekzotermiktir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Bond Strength: Covalent Bonds.

Her kimyasal reaksiyon, reaksiyon sırasında enerjinin açığa çıkıp çıkmadığını veya gerekli olup olmadığını belirlemeye yardımcı olan entalpi değişikliğiyle ilişkilidir. Bu entalpi değişimi, ortalama bağ enerjileri kullanılarak tahmin edilebilir. Bir gaz halindeki kimyasal bileşiğin 1 molündeki belirli bir bağı kırmak için gereken enerjiye bağ enerjisi denir ve mol başına kilojul olarak ifade edilir.

Bu enerji, bağlı atomların türüne ve paylaşılan elektron çiftlerinin sayısına bağlıdır. Bağ enerjisi genellikle farklı bileşiklerdeki aynı bağın bağ enerjilerinin ortalaması olarak ifade edilir. Ortalama bağ enerjisi, bir kimyasal reaksiyonun ekzotermik mi yoksa endotermik mi olduğunu belirlemek için kullanılabilir.

1, 2-dibromoetan oluşturmak üzere reaksiyona giren eten ve bromu düşünün. Başlangıçta, karbon çift bağı ve brom tek bağı kırılır ve bu durum, enerji girişi gerektiren ve atomların potansiyel enerjisini artıran bir süreçtir. Bu nedenle, bağ kırma, entalpide pozitif bir değişikliğe sahip endotermik bir süreçtir.

Daha sonra karbon ve brom atomları arasında yeni bağlar oluşur ve ürün meydana gelir. Bağ oluşumu, potansiyel enerjiyi azaltarak molekülün kararlılığını artırır. Bu nedenle, bağ oluşumu ekzotermik bir süreçtir ve entalpide negatif bir değişikliğe neden olur.

Hess yasasına göre reaksiyondaki toplam entalpi değişimi, reaktanların ve ürünlerin entalpi değişimlerinin toplamına eşittir. Reaktiflerin entalpi değişimi, kopan bağların entalpisinin toplamı iken, ürünlerin entalpi değişimi, oluşan yeni bağların entalpisinin toplamıdır. Bu nedenle, mol başına 255 kilojul bir entalpiye sahip 1, 2-dibromoetan oluşumu endotermik bir reaksiyondur.

Bağ entalpilerine ek olarak, bağların türü ve bağlı atomlar da iki bağlı atomun çekirdeği arasındaki ortalama mesafe olan bağ uzunluğunu etkiler. İki nitrojen atomu ve iki karbon atomu arasındaki farklı bağları düşünün. Üçlü bağlar gibi çoklu bağlara sahip atomlar bir arada daha sıkı tutularak daha kısa ve daha güçlü bağlara yol açar.

Sonuç olarak, molekül daha kararlıdır ve ayrışması için daha yüksek enerji gerektirir. Genel olarak, bazı istisnalar dışında, bağ kuvveti dolaylı olarak bağ uzunluğu ile orantılıdır.