"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Химическая связь удерживает атомы вместе, а энергия связи показывает, насколько энергетически затратным будет их разделение. Чтобы разорвать связь, частицам нужно передать энергию; при образовании такой же связи энергия выделяется. В химической реакции старые связи разрушаются, а новые возникают, поэтому итог зависит от сравнения затрат и выделения энергии. Это сравнение помогает понять, будет реакция экзотермической, то есть отдающей энергию, или эндотермической — поглощающей её.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая связь — взаимодействие между атомами, благодаря которому они соединяются в молекулу или другую частицу. В образовании связи участвуют электроны атомов, а расположение частиц становится более устойчивым. Это понятие помогает объяснить, почему атомы объединяются и как устроены вещества.
Энергия химической связи — энергия, которую нужно затратить, чтобы разорвать связь между атомами. Она показывает, насколько трудно разделить связанные частицы. Для образования такой же связи выделяется равное количество энергии, поэтому энергия связи позволяет оценивать энергетические изменения при перестройке частиц.
Энергия химической реакции — изменение энергии при превращении исходных веществ в продукты. Оно зависит от того, сколько энергии требуется на разрыв старых связей и сколько выделяется при образовании новых. Это определение нужно, чтобы установить, отдаёт реакция энергию или поглощает её.
Когда атомы сближаются, начинают взаимодействовать их частицы, в том числе электроны. При подходящем расположении взаимодействие может привести к образованию связи. Связанное состояние обычно обладает меньшей энергией, чем состояние раздельных атомов, поэтому система переходит к более устойчивому расположению. Разность энергии при этом передаётся окружающей среде.
Чтобы разорвать связь, атомы нужно удалить друг от друга, преодолев их взаимодействие. Для этого частицам передают энергию, например нагревая вещество или воздействуя на него излучением. Так, при разрыве связи H–H в молекуле водорода энергия затрачивается. Если атомы водорода снова образуют связь H–H, такое же количество энергии выделится.
В химической реакции атомы не исчезают, а переходят из исходных веществ в продукты и соединяются по-новому. Поэтому связи, которые удерживали атомы в исходных частицах, должны перестроиться, а в продуктах возникают другие связи. Разрыв старых связей и образование новых — две стороны одного превращения: без перестройки связей не получится получить частицы с новым составом и строением. Эти процессы рассматривают вместе, чтобы найти общий энергетический эффект.
На разрыв связей энергия расходуется, а при образовании связей выделяется. Если при образовании новых связей выделяется больше, чем было затрачено на разрыв старых, избыток энергии уходит в окружающую среду: реакция экзотермическая. Если затраты на разрыв больше выделения при образовании, реакция поглощает энергию и называется эндотермической. Таким образом, тип реакции нельзя определить только по наличию разрыва или образования связей.
Энергию связи обычно указывают для одного моля одинаковых связей. Для оценки реакции складывают энергии связей, которые нужно разорвать, а затем отдельно — энергии связей, которые образуются; каждое значение умножают на количество молей соответствующих связей. Удобная оценка: ΔE = энергия разрыва − энергия образования. Если результат отрицательный, выделение больше затрат; если положительный — затраты больше выделения. Такой расчёт даёт энергетическую оценку реакции.
| Процесс | Изменение энергии | Что происходит с частицами |
|---|---|---|
| Разрыв химической связи | Энергия затрачивается | Связанные атомы разделяются |
| Образование химической связи | Энергия выделяется | Атомы соединяются в более устойчивую частицу |
| Реакция в целом: сравнение разрываемых и образующихся связей | Зависит от соотношения затрат и выделения | Старые связи перестраиваются, возникают новые |
Сначала определи, какие связи разрываются и какие образуются, а затем сравни энергетические затраты и выделение. Для одинакового количества связей энергия разрыва и образования равна по величине, но процессы имеют противоположные энергетические эффекты. Таблица помогает не перепутать эти знаки при анализе реакции.
Задача 1. Укажите, в каком случае энергия затрачивается, а в каком выделяется: разрыв связи H–H и образование связи H–H. Сравниваются два противоположных процесса для одной и той же связи, поэтому важно не только назвать изменение энергии, но и указать его направление. Рассуждать можно от того, нужно ли разделить атомы или, наоборот, соединить их.
Ответ: при разрыве связь H–H требует затрат энергии, при образовании такой же связи энергия выделяется.
Задача 2. На разрыв 1 моль связей X–Y требуется 250 кДж. Сколько энергии выделится при образовании 2 моль таких связей? Нужно использовать равенство энергий разрыва и образования одинаковых связей, но учесть, что связей образуется вдвое больше. Сначала найдём выделение для одного моля, затем умножим результат на количество вещества.
Ответ: при образовании 2 моль связей X–Y выделится 500 кДж энергии.
Задача 3. В реакции разрываются связи общей энергией 600 кДж, а при образовании новых связей выделяется 750 кДж. Оцените общий энергетический эффект и определите тип реакции. Сопоставим выделение с затратами: если первое больше, избыток энергии уходит из системы. Разность покажет величину эффекта в рамках этих данных.
Ответ: выделяется 150 кДж; реакция экзотермическая.
Ошибка: считать, что при разрыве связи энергия выделяется. Так думают, потому что связывают разрушение с «освобождением» энергии. Но связанные атомы нужно разделить, преодолев их взаимодействие, а это требует передачи энергии. Проверь себя вопросом: нужно ли приложить энергию, чтобы удалить атомы друг от друга?
Ошибка: считать, что образование связи требует энергии. Появление нового соединения иногда ошибочно представляют как дополнительное действие, которому необходима энергия. Обычно при образовании связи атомы переходят в более устойчивое состояние и энергия выделяется. Проверка: сравни направление процесса с обратным разрывом той же связи — энергетические эффекты противоположны.
Ошибка: определять тип реакции только по факту разрыва или образования связей. В реакции происходят оба процесса, поэтому отдельно взятый разрыв не говорит о суммарном результате. Нужно сравнить затраты на старые связи с выделением при образовании новых. Для проверки выпиши обе суммы и найди, какая из них больше.
Ошибка: забывать учитывать количество связей или вещества. Табличная энергия обычно дана для одного моля связей, поэтому её нельзя автоматически переносить на любое количество. Ошибка возникает, когда значение подставляют без умножения на число молей. Проверь единицы измерения и умножь энергию связи на количество связей, для которого она дана.
Чтобы разобраться в энергии связей, нужны знания о строении атома: особенно важно понимать роль электронов. Также пригодятся представления о молекулах и химических связях, которые объясняют, как атомы образуют частицы. Эта тема подготавливает к изучению тепловых эффектов химических реакций. Сравнивая разрыв и образование связей, можно объяснить, почему при реакции теплота выделяется или поглощается.
Почему на разрыв связи нужно затратить энергию?
Связь удерживает атомы в устойчивом взаимодействии, поэтому, чтобы разделить их, нужно преодолеть притяжение между частицами. Для этого им передают энергию.
Почему при образовании связи энергия выделяется?
При сближении атомов их взаимодействие может привести к более устойчивому состоянию с меньшей энергией. Разность энергии передаётся окружающей среде.
Одинакова ли энергия разрыва и образования одной и той же связи?
Да, для одинаковых связей и одинакового количества связей эти величины равны по модулю. Но при разрыве энергия затрачивается, а при образовании — выделяется.
Как по энергиям связей определить, выделяется ли энергия в реакции?
Сложи энергии, необходимые для разрыва связей в исходных веществах, и сравни их с энергией, которая выделяется при образовании связей в продуктах. Если выделение больше затрат, реакция экзотермическая; если меньше — эндотермическая.
Почему в одной реакции одни связи разрываются, а другие образуются?
Атомы в исходных веществах соединены не так, как в продуктах. Поэтому при превращении веществ прежнее расположение атомов перестраивается: старые связи исчезают, а между атомами возникают новые.
§ 49. Химическая связь и энергия
