3.6: Forza dei legami

Forza dei legami: Legami Covalenti

Le molecole stabili esistono perché i legami covalenti tengono insieme gli atomi. Misuriamo la forza di un legame covalente dall’energia richiesta per romperlo, cioè l’energia necessaria per separare gli atomi legati. La separazione di qualsiasi coppia di atomi legati richiede energia; più forte è un legame, maggiore è l’energia richiesta per romperlo. L’energia richiesta per rompere uno specifico legame covalente in una mole di molecole gassose è chiamata energia di legame o energia di dissociazione del legame. L’energia di legame per una molecola biatomica, \(D_{X-Y}}), è definita come la variazione di entalpia standard per la reazione endotermica:

Per esempio, l’energia di legame del puro legame covalente H-H, \(\Delta_{H-H}\), è 436 kJ per mole di legami H-H rotti:

La rottura di un legame richiede sempre energia da aggiungere alla molecola. Corrispondentemente, fare un legame rilascia sempre energia.

Le molecole con tre o più atomi hanno due o più legami. La somma di tutte le energie di legame in una tale molecola è uguale alla variazione entalpica standard per la reazione endotermica che rompe tutti i legami nella molecola. Per esempio, la somma delle quattro energie di legame C-H in CH4, 1660 kJ, è uguale alla variazione entalpica standard della reazione:

L’energia media del legame C-H, \(D_{C-H}\), è 1660/4 = 415 kJ/mol perché ci sono quattro moli di legami C-H rotti per mole della reazione. Anche se i quattro legami C-H sono equivalenti nella molecola originale, non richiedono tutti la stessa energia per rompersi; una volta che il primo legame è rotto (che richiede 439 kJ/mol), i legami rimanenti sono più facili da rompere. Il valore di 415 kJ/mol è la media, non il valore esatto richiesto per rompere un qualsiasi legame.

La forza di un legame tra due atomi aumenta all’aumentare del numero di coppie di elettroni nel legame. Generalmente, all’aumentare della forza del legame, la lunghezza del legame diminuisce. Così, troviamo che i legami tripli sono più forti e più corti dei legami doppi tra gli stessi due atomi; allo stesso modo, i legami doppi sono più forti e più corti dei legami singoli tra gli stessi due atomi. Le energie medie di legame per alcuni legami comuni appaiono nella Tabella \PageIndex{2}, e un confronto delle lunghezze e delle forze di legame per alcuni legami comuni appare nella Tabella \PageIndex{2}. Quando un atomo si lega a vari atomi di un gruppo, la forza di legame tipicamente diminuisce man mano che ci si sposta verso il basso del gruppo. Per esempio, C-F è 439 kJ/mol, C-Cl è 330 kJ/mol, e C-Br è 275 kJ/mol.

Possiamo usare le energie di legame per calcolare cambiamenti entalpici approssimativi per reazioni dove non sono disponibili entalpie di formazione. Calcoli di questo tipo ci diranno anche se una reazione è esotermica o endotermica.

La variazione di entalpia, ΔH, per una reazione chimica è approssimativamente uguale alla somma dell’energia richiesta per rompere tutti i legami nei reagenti (energia “in”, segno positivo) più l’energia rilasciata quando tutti i legami sono formati nei prodotti (energia “out”, segno negativo). Questo può essere espresso matematicamente nel modo seguente:

\

In questa espressione, il simbolo \(\Sigma\) significa “la somma di” e D rappresenta l’energia di legame in chilojoule per mole, che è sempre un numero positivo. L’energia di legame si ottiene da una tabella e dipenderà dal fatto che il particolare legame è un legame singolo, doppio o triplo. Quindi, nel calcolare le entalpie in questo modo, è importante considerare il legame in tutti i reagenti e prodotti. Poiché i valori di D sono tipicamente medie per un tipo di legame in molte molecole diverse, questo calcolo fornisce una stima approssimativa, non un valore esatto, per l’entalpia di reazione.

Considera la seguente reazione:

o

\

Per formare due moli di HCl, una mole di legami H-H e una mole di legami Cl-Cl deve essere rotta. L’energia richiesta per rompere questi legami è la somma dell’energia del legame H-H (436 kJ/mol) e del legame Cl-Cl (243 kJ/mol). Durante la reazione, si formano due moli di legami H-Cl (energia di legame = 432 kJ/mol), rilasciando 2 × 432 kJ; o 864 kJ. Poiché i legami nei prodotti sono più forti di quelli nei reagenti, la reazione rilascia più energia di quella che consuma:

-2D_{H-Cl}}\\7367>&=\mathrm{-2(432)=-185\:kJ}
fine {align*}]

Questa energia in eccesso viene rilasciata come calore, quindi la reazione è esotermica. La tabella T2 dà un valore per l’entalpia molare standard di formazione di HCl(g), \(ΔH^\circ_\ce f\), di -92,307 kJ/mol. Il doppio di questo valore è -184,6 kJ, che concorda bene con la risposta ottenuta in precedenza per la formazione di due moli di HCl.

• Energia di legame per una molecola biatomica: \(\ce{XY}(g)⟶\ce{X}(g)+\ce{Y}(g)\hspace{20px}\ce{D_{X–Y}}=ΔH°\)
• Enthalpy change: ΔH = Ʃ legami rotti – Ʃ legami formati