結合エネルギーの理解:形成と解離|化学

結合エネルギーとは何ですか?

化学内の分子は、原子をつなぐ結合がなければ存在しません。結合の形成によりエネルギーが放出されるため、原子はエネルギーのより少ない安定した化合物を好むために分子が存在します。これらの安定した結合を破壊するには、システムにエネルギーを追加する必要があります。したがって、この値は結合エネルギーとして知られています。

吸熱反応として結合を切断する際には常にエネルギーが必要です。一方で、結合を形成する際には発熱反応としてエネルギーが常に放出されます。

結合エネルギー、または結合の強さは、これらのプロセスでどのくらいのエネルギーが放出されるか、または必要とされるかを決定します。分子は結合に応じて全体の反応エンタルピーが異なる場合があります。

分子の結合形成エネルギーは、生成物を形成するときに放出される熱/エネルギーです。反応における結合形成エネルギーは、生成物形成ステップで放出されるエネルギーです。したがって、結合の形成によりエネルギーが放出されるため、この値は常に負になります。

分子の結合解離エネルギーは、結合を切断するために必要な熱です。反応において、結合解離エネルギーは、元の反応物の結合を分解するのに必要なエネルギーです。したがって、結合を切断するにはエネルギーが必要となるため、この値は常に正になります。

解離エネルギーと形成エネルギーを加算すると、全体の反応エンタルピー、つまり反応の進行全体にわたるエネルギーの正味合計が求められます。したがって、結合形成エネルギーと解離エネルギーによって、全体的な反応のエンタルピーが吸熱か発熱かが決まります。

反応物の結合を切断するのに、生成物の形成時に放出されるエネルギーよりも多くのエネルギーが必要な場合、反応は吸熱反応となります。製品の形成により、反応物の結合を破壊するよりも多くのエネルギーが放出される場合、反応は発熱となります。

結合エンタルピーの計算式

したがって、結合エネルギーの式は、結合の解離エネルギーと形成エネルギーに基づいて反応のエンタルピーを計算するのに役立ちます。以下の反応は、形成された結合から切断された結合を差し引いた全体のエンタルピーを計算します。

この方程式では次のようになります。

全体の反応エンタルピー

製品の結合形成によって放出される熱の合計

反応物の結合を破壊することによって吸収される熱の合計

この方程式は、これら 3 つの値のいずれについても解くことができ、熱力学、物理化学などの重要な公式です。

結合強度の品質と定期的な傾向

さまざまな性質が結合の解離エネルギーと形成エネルギーを決定します。最も一般的に、結合の強さは以下によって決まります。

結合の長さ
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結合角

まず、短い結合は他の原子とより多くの価電子を共有するため、これらの結合は多くの場合より強くなり、長い結合よりも切断するのに多くのエネルギーを必要とします。 2 つの原子核間の距離が近づくと、結合強度が増加します。

同様に、三重結合と二重結合はどちらも単結合より短いため、多重結合の方が解離エネルギーと形成エネルギーが高くなります。したがって、結合次数が高くなると、結合を切断するためにより多くのエネルギーが必要になります。

さらに、原子間の角度が大きくなると結合長が短くなるため、角度が大きい分子は結合を切断するためにより多くのエネルギーを必要とします。原子間の角度が小さい分子にはその逆が当てはまります。

結合形成・解離エネルギーに関する周期表の傾向は、周期表の下に行くほど原子が大きくなり、左に行くほど原子が大きくなります。原子半径が大きくなると結合が長くなるため、これらの原子は多くの場合、より小さな解離エネルギーと形成エネルギーで結合を形成します。この周期的な傾向は、原子半径や結合長が小さい原子ではその逆になります。

重要な図表

以下の表は、実験的に決定されたさまざまな結合の平均結合形成/解離エネルギーを示しています。すべてのエネルギー値は (kJ/mol) の単位でリストされます。

上記の結合エネルギーの式を使用すると、分子内の結合エネルギーを加算することで式内の任意の値を決定できます。

H-H432 kJ/molC=C614 kJ/molS-Cl253 kJ/molH-F565 kJ/molO=O495 kJ/molS-H347 kJ/molH-Cl427 kJ/molN=O607 kJ/molI-Br175 kJ/molC-Cl339 kJ/molN=N418 kJ/molN-O201 kJ/molC-H413 kJ/molC=N615 kJ/molF-Cl253 kJ/mol平均結合エネルギー (kJ/mol)