3.6: Bindingsterkte

Bindingsterkte: Covalente bindingen

Stabiele moleculen bestaan omdat covalente bindingen de atomen bij elkaar houden. We meten de sterkte van een covalente binding aan de hand van de energie die nodig is om ze te verbreken, dat wil zeggen, de energie die nodig is om de gebonden atomen te scheiden. Voor het scheiden van een paar gebonden atomen is energie nodig; hoe sterker een binding, hoe groter de energie die nodig is om hem te verbreken. De energie die nodig is om een bepaalde covalente binding in een mol gasmoleculen te verbreken, wordt de bindingsenergie of de bindingsdissociatie-energie genoemd. De bindingsenergie voor een diatomisch molecuul, (D_{X-Y}), wordt gedefinieerd als de standaard enthalpieverandering voor de endotherme reactie:

Bij voorbeeld, de bindingsenergie van de zuivere covalente H-H binding, (Delta_{H-H}), is 436 kJ per mol verbroken H-H bindingen:

Het verbreken van een binding vereist altijd energie die aan het molecuul moet worden toegevoegd. Bij het maken van een binding komt altijd energie vrij.

Moleculen met drie of meer atomen hebben twee of meer bindingen. De som van alle bindingsenergieën in zo’n molecuul is gelijk aan de standaard enthalpieverandering voor de endotherme reactie waarbij alle bindingen in het molecuul worden verbroken. Bijvoorbeeld, de som van de vier C-H bindingsenergieën in CH4, 1660 kJ, is gelijk aan de standaard enthalpieverandering van de reactie:

De gemiddelde C-H bindingsenergie, (D_{C-H}), is 1660/4 = 415 kJ/mol omdat er vier mol C-H bindingen per mol van de reactie worden verbroken. Hoewel de vier C-H bindingen in het oorspronkelijke molecuul gelijkwaardig zijn, hebben ze niet elk dezelfde energie nodig om te verbreken; zodra de eerste binding is verbroken (waarvoor 439 kJ/mol nodig is), zijn de resterende bindingen gemakkelijker te verbreken. De waarde van 415 kJ/mol is het gemiddelde, niet de exacte waarde die nodig is om een binding te verbreken.

De sterkte van een binding tussen twee atomen neemt toe naarmate het aantal elektronenparen in de binding toeneemt. In het algemeen neemt de lengte van de binding af naarmate de sterkte van de binding toeneemt. Zo vinden we dat drievoudige bindingen sterker en korter zijn dan dubbele bindingen tussen dezelfde twee atomen; evenzo zijn dubbele bindingen sterker en korter dan enkele bindingen tussen dezelfde twee atomen. De gemiddelde bindingsenergie voor een aantal veel voorkomende bindingen staat in tabel (Pagina-index 2), en een vergelijking van bindingslengtes en -sterkten voor een aantal veel voorkomende bindingen staat in tabel (Pagina-index 2). Wanneer een atoom bindt aan verschillende atomen in een groep, neemt de bindingssterkte meestal af naarmate we lager in de groep komen. Bijvoorbeeld, C-F is 439 kJ/mol, C-Cl is 330 kJ/mol, en C-Br is 275 kJ/mol.

We kunnen bindingsenergieën gebruiken om bij benadering enthalpieveranderingen te berekenen voor reacties waar enthalpie’s van vorming niet beschikbaar zijn. Uit dit soort berekeningen kunnen we ook afleiden of een reactie exotherm of endotherm is.

De enthalpieverandering, ΔH, voor een chemische reactie is ongeveer gelijk aan de som van de energie die nodig is om alle bindingen in de reactanten te verbreken (energie “in”, positief teken) plus de energie die vrijkomt wanneer alle bindingen in de producten worden gevormd (energie “uit”, negatief teken). Wiskundig kan dit als volgt worden uitgedrukt:

In deze uitdrukking betekent het symbool “de som van” en D staat voor de bindingsenergie in kilojoule per mol, wat altijd een positief getal is. De bindingsenergie wordt verkregen uit een tabel en zal afhangen van het feit of de betreffende binding een enkelvoudige, dubbele of drievoudige binding is. Bij de berekening van enthalpiecoëfficiënten op deze manier is het dus belangrijk dat we de binding in alle reactanten en producten in aanmerking nemen. Omdat D-waarden meestal gemiddelden zijn voor één type binding in veel verschillende moleculen, geeft deze berekening een ruwe schatting, geen exacte waarde, voor de enthalpie van de reactie.

Bedenk de volgende reactie:

of

Om twee mol HCl te vormen, moet één mol H-H bindingen en één mol Cl-Cl bindingen worden verbroken. De energie die nodig is om deze bindingen te verbreken is de som van de bindingsenergie van de H-H binding (436 kJ/mol) en de Cl-Cl binding (243 kJ/mol). Tijdens de reactie worden twee mol H-Cl bindingen gevormd (bindingsenergie = 432 kJ/mol), waarbij 2 × 432 kJ vrijkomt; ofwel 864 kJ. Omdat de bindingen in de producten sterker zijn dan die in de reactanten, komt bij de reactie meer energie vrij dan er verbruikt wordt:

-2D_{H-Cl}}
&={-2(432)=-185:kJ}

Deze overtollige energie komt als warmte vrij, dus de reactie is exotherm. Tabel T2 geeft een waarde voor de standaard molaire enthalpie van de vorming van HCl(g), ƒ(ΔH^circ_ce f), van -92,307 kJ/mol. Twee keer die waarde is -184,6 kJ, wat goed overeenkomt met het eerder verkregen antwoord voor de vorming van twee mol HCl.

• Bindingsenergie voor een diatomisch molecuul: \(\ce{XY}(g)⟶\ce{X}(g)+\ce{Y}(g)\hspace{20px}\ce{D_{X–Y}}=ΔH°\)
• Enthalpy change: ΔH = ƩVerbindingen verbroken – ƩVerbindingen gevormd