"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Химическая связь удерживает атомы вместе, а её энергия показывает, насколько трудно эту связь разрушить. Когда атомы соединяются, энергия системы обычно уменьшается и избыток энергии выделяется; чтобы разъединить атомы, энергию нужно затратить. При реакции одни связи разрываются, другие образуются, поэтому её тепловой эффект зависит от баланса этих изменений. Разобравшись в этом балансе, можно оценить, выделяется ли энергия или поглощается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая связь — взаимодействие, которое удерживает атомы вместе. Оно возникает благодаря взаимодействию электронов и ядер атомов, а не потому, что атомы просто соприкасаются. Это понятие помогает объяснить, почему атомы объединяются в молекулы и как устроены вещества.
Энергия химической связи — энергия, необходимая для разрушения связи. Для сравнения обычно рассматривают разрыв одного моля одинаковых связей, то есть очень большого, но точно заданного количества связей. Такая величина помогает оценить, насколько прочна связь: чем больше энергии нужно для её разрыва, тем труднее разделить связанные атомы.
Энергия образования связи — энергия, выделяющаяся, когда между атомами возникает связь. Для одной и той же связи и того же количества связей она равна энергии разрыва по модулю, но имеет противоположное направление: при образовании энергия выходит из системы, а при разрыве поступает в неё. Это различие нужно учитывать, когда сравнивают энергетические изменения в реакции.
Когда атомы сближаются, их ядра и электроны начинают взаимодействовать, поэтому энергия системы меняется. На очень малом расстоянии отталкивание становится сильным, а на большем расстоянии заметнее притяжение. Связь возникает при таком расстоянии между атомами, на котором их совместное состояние устойчивее, чем состояние далеко разнесённых атомов.
Устойчивому связанному состоянию соответствует меньшая энергия, чем состоянию раздельных атомов. Чтобы перейти на более низкий энергетический уровень, система отдаёт разность энергии окружающей среде. Поэтому при образовании связи энергия выделяется, а атомы оказываются в более устойчивом состоянии.
Для разрыва связи нужно вернуть систему из устойчивого состояния к состоянию раздельных атомов. Это переход к более высокой энергии, поэтому необходимую разность приходится сообщить системе. Иначе говоря, атомы не разделяются сами по себе без энергетических затрат на преодоление их взаимодействия.
Энергия связи зависит от того, какие именно атомы соединены, и от кратности связи. Кратность показывает число общих электронных пар между атомами: одинарная связь содержит одну такую пару, двойная — две. Поэтому значения энергий помогают сравнивать прочность только с учётом состава связи и её кратности.
Химическая реакция меняет набор связей: в исходных веществах некоторые связи разрушаются, а в продуктах возникают новые. Разрыв старых связей требует энергии, тогда как образование новых её выделяет. Чтобы оценить итог, нужно сопоставить обе величины: если при образовании выделилось больше, чем затратилось на разрыв, реакция отдаёт энергию; если меньше — поглощает.
График показывает, как меняется энергия при изменении расстояния между двумя атомами. Минимум кривой соответствует устойчивому расстоянию связи, а уровень нуля — раздельным атомам; разница между ними связана с энергией, нужной для разрыва.
В таблице знак изменения энергии описан словами, чтобы не перепутать направление процесса. При разрыве энергия системы возрастает, а при образовании связи — уменьшается; внешняя среда при этом соответственно отдаёт или получает энергию.
| Процесс | Что происходит со связью | Изменение энергии системы | Энергия поглощается или выделяется |
|---|---|---|---|
| Образование связи | Атомы соединяются | Уменьшается | Выделяется |
| Разрыв связи | Атомы разделяются | Увеличивается | Поглощается |
| Химическая реакция: разрыв старых и образование новых связей | Старые связи разрушаются, новые возникают | Зависит от соотношения затрат и выделения энергии | Итог определяется сравнением двух величин |
Для отдельного процесса найдите, уменьшается или возрастает энергия системы. Для реакции отдельно посчитайте энергию разрываемых связей и энергию образующихся связей, а затем сравните суммы. Такая оценка показывает направление общего изменения, если известны энергии всех рассматриваемых связей.
Задача 1. При образовании связи выделилось 436 кДж на моль связей. Нужно определить энергию, необходимую для разрыва такого же количества этих же связей. Важно сравнивать одинаковые связи и одинаковое их количество, иначе равенство энергий по модулю применить нельзя.
Ответ: 436 кДж на моль связей нужно сообщить системе.
Задача 2. На разрыв связей в исходных веществах требуется 800 кДж, а при образовании связей в продуктах выделяется 950 кДж. Определим, что происходит с энергией в целом. Для этого сравним затраты на разрыв с энергией, которая выделяется при образовании новых связей.
Ответ: реакция приводит к выделению 150 кДж энергии.
Задача 3. Разрываются две связи с энергиями 300 и 400 кДж/моль, а образуются две связи с энергиями 250 и 550 кДж/моль. Нужно оценить общий эффект, учитывая отдельно старые и новые связи. Считаем, что приведены энергии для одинакового количества связей, участвующих в сравнении.
Ответ: общий эффект — выделение 100 кДж/моль энергии.
Первая ошибка — считать, что при разрыве связи энергия выделяется. Так можно подумать, потому что атомы после разделения кажутся свободнее, однако для их разделения нужно преодолеть притяжение. Проверка простая: разрыв требует подвода энергии, а образование связи сопровождается её выделением.
Вторая ошибка — путать энергию связи с энергией, выделяющейся при её образовании. Численно для одной и той же связи они равны по модулю, поэтому различие в словах легко упустить. Проверяйте направление процесса: при разрыве энергия поглощается, при образовании — выделяется.
Третья ошибка — напрямую сравнивать энергии разных связей, не учитывая атомы и кратность. Значения относятся к определённым связям, поэтому одинаковое число само по себе ещё не говорит о равной прочности любых связей. Перед сравнением уточните, какие атомы соединены и сколько общих электронных пар образуют связь.
Четвёртая ошибка — оценивать тепловой эффект реакции только по разрываемым связям. Такой подсчёт учитывает затраты, но пропускает энергию, выделяющуюся при появлении новых связей. Для самопроверки составьте две суммы: одну для разрыва, другую для образования, а затем сравните их.
Чтобы понять энергетические изменения, нужно знать строение атома и роль электронов: именно взаимодействие электронов и ядер связано с возникновением связи. Тема также опирается на представление о реакции как о превращении, при котором старые связи разрушаются, а новые образуются. Энергии связей помогают объяснять тепловые эффекты реакций и сравнивать устойчивость молекул.
Почему при образовании химической связи выделяется энергия?
При образовании связи атомы переходят в более устойчивое состояние с меньшей энергией, чем у раздельных атомов. Разность энергий выделяется в окружающую среду.
Почему для разрыва связи нужно затратить энергию?
Связь удерживает атомы вместе, поэтому для их разделения нужно преодолеть взаимодействие между ними. На это требуется сообщить системе энергию.
Одинаковы ли энергия образования и энергия разрыва одной связи?
Для одной и той же связи и одинакового количества связей значения равны по модулю. Направление изменения противоположно: образование выделяет энергию, а разрыв требует её затраты.
От чего зависит энергия химической связи?
Она зависит от видов связанных атомов и кратности связи — числа общих электронных пар между атомами. Поэтому сравнивать энергии корректно для связей с учётом этих особенностей.
Как по энергиям связей оценить, выделяется ли энергия в реакции?
Сложите энергии связей, которые разрываются: это затраты энергии. Затем сложите энергии образующихся связей: столько энергии выделяется. Если вторая сумма больше первой, итоговая энергия выделяется; если меньше — поглощается.
§ 49. Химическая связь и энергия
