في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف طاقات الروابط، ونستخدم التغيُّرات الكلية في طاقة الرابطة أثناء التفاعلات لحساب طاقات الروابط للمتفاعلات والنواتج.
دعونا ننظر إلى جزيء غاز الهيدروجين.
يتكون الجزيء من ذرتي هيدروجين مرتبطتين تساهميًّا. يمكن كسر الرابطة التساهمية لفصل ذرات الهيدروجين:
وهذه العملية تتطلب طاقة. ومتوسط كمية الطاقة اللازمة لكسر الرابطة الأحادية بين ذرتي الهيدروجين هي: جول. وهذه القيمة صغيرة للغاية وغير مفيدة على الإطلاق؛ لأن التفاعلات تتضمن ملايين الجزيئات. والأكثر فائدة بكثير هو معرفة الطاقة اللازمة لكسر واحد مول من روابط الهيدروجين-الهيدروجين باستخدام عدد أفوجادرو:
يمكن تعديل هذه القيمة أكثر من ذلك بتحويل الوحدة جول إلى كيلو جول باستخدام معامل التحويل:
ومن ثَمَّ، فإن كسر واحد مول من روابط الهيدروجين-الهيدروجين الأحادية يتطلب طاقة قدرها 432 kJ. متوسط كمية الطاقة اللازمة لكسر رابطة معينة في مول واحد من الجزيئات الغازية تسمى طاقة الرابطة أو إنثالبي الرابطة، وعادة ما تكون بالوحدة kJ/mol.
تعريف: طاقة الرابطة
طاقة الرابطة هي متوسط كمية الطاقة اللازمة لكسر رابطة معينة في مول واحد من الجسيمات الغازية. وتسمى أيضًا إنثالبي الرابطة.
يمكن وصف كسر الروابط بأنه عملية ماصة للحرارة. هذا يعني أن الوسط المحيط يجب أن يوفر الطاقة اللازمة لكسر الروابط.
تعريف: العملية الماصة للحرارة
العملية الماصة للحرارة هي عملية تمتص الطاقة من الوسط المحيط.
وبما أن كسر الروابط عملية ماصة للحرارة، فسيكون لطاقات الرابطة قيمة موجبة دائمًا ما توضح أن النظام يجب أن يمتص الطاقة من الوسط المحيط. غالبًا ما يدرج متوسط طاقات الرابطة في جداول. يمكننا استخدام هذه القيم كقيمة تقريبية لكمية الطاقة اللازمة لكسر واحد مول من الروابط، لكن يجب أن ندرك أن القيمة الفعلية يمكن أن تختلف قليلًا بناء على ذرات أخرى في الجزيء.
| الرابطة | متوسط طاقة الرابطة (kJ/mol) | الرابطة | متوسط طاقة الرابطة (kJ/mol) |
|---|---|---|---|
| 432 | 887 | ||
| 386 | 485 | ||
| 459 | 327 | ||
| 656 | 285 | ||
| 428 | 167 | ||
| 362 | 418 | ||
| 411 | 942 | ||
| 346 | 466 | ||
| 602 | 626 | ||
| 835 | 142 | ||
| 358 | 494 | ||
| 799 | 155 | ||
| 1 072 | 240 | ||
| 305 | 148 | ||
| 615 |
مثال ١: تعريف طاقة رابطة جزيئات الهيدروجين
تحتوي جزيئات الهيدروجين () على رابطة أحادية. طاقة هذه الرابطة 432 kJ/mol. إلام يشير ذلك؟
- يلزم توافر 432 kJ من الطاقة لكسر مول من روابط .
- يلزم توافر 432 kJ من الطاقة لكسر كل رابطة .
- يُطلق 432 kJ من الطاقة عند تكسير مول من روابط .
- يُطلق 432 kJ من الطاقة عند كسر رابطة واحدة من .
- يلزم توافر 432 kJ من الطاقة لتكوين مول واحد من روابط .
الحل
طاقة الرابطة أو إنثالبي الرابطة هي كمية الطاقة اللازمة لكسر نوع معين من الروابط الكيميائية. لكن مقدار الطاقة اللازمة لكسر رابطة واحدة صغير جدًّا. ومن ثَمَّ، تعطى طاقة الرابطة بالوحدة كيلو جول لكل مول للإشارة إلى مقدار الطاقة اللازمة لكسر مول واحد من نوع معين من الروابط. في هذا المثال، يجب توفر 432 kJ لكسر مول واحد من روابط الهيدروجين-الهيدروجين الأحادية. إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ).
يقاس مقدار قوة رابطة محددة بطاقة الرابطة. وبوجه عام، الروابط الثلاثية أقوى من الروابط المزدوجة، والتي تكون بدورها أقوى من الروابط الأحادية عند مقارنة الذرات ذات الروابط المتشابهة. ومن ثَمَّ، فإن طاقة الرابطة اللازمة لكسر رابطة كربون-كربون ثلاثية أكبر من طاقة الرابطة اللازمة لكسر رابطة الكربون-الكربون المزدوجة.
لاحظ أن طاقة الرابطة اللازمة لكسر رابطة كربون-كربون مزدوجة لا تساوي ضعف طاقة الرابطة اللازمة لكسر رابطة كربون-كربون أحادية. لا تتحدد طاقة الرابطة مباشرة من عدد الروابط.
بالإضافة إلى ذلك، عند مقارنة الروابط من النوع نفسه التي تتضمن عناصر من نفس المجموعة في الجدول الدوري، تقل قوة الرابطة عند التحرك لأسفل في المجموعة.
من المهم أن نعلم أن طاقات الرابطة تشير إلى قوة نوع معين من القوى الضمنية داخل الجزيئات (الروابط التساهمية أو الأيونية) في جزيء أو وحدة صيغة. طاقة الرابطة لا تمثل مقدار القوى الضمنية بين الجزيئات بين جزيئين. وعلى هذا النحو، لا يمكن استخدام طاقة الرابطة لتوضيح خواص مثل درجة الانصهار ودرجة الغليان.
مثال ٢: التعرف على التدرج في إنثالبي الرابطة
أي هاليدات الهيدروجين الآتية له أصغر إنثالبي للرابطة؟
- .
- .
- .
- .
الحل
طاقة الرابطة أو إنثالبي الرابطة هي مقدار الطاقة اللازمة لكسر مول واحد من نوع معين من الروابط. كل من هاليدات الهيدروجين المذكورة يتكون من ذرة هيدروجين واحدة مرتبطة برابطة أحادية بذرة هالوجين. عندما تشترك ذرة في نفس النوع من الرابطة مع ذرات من المجموعة نفسها، فإن إنثالبي الرابطة يقل عادة مع زيادة حجم الذرة (التحرك لأسفل في المجموعة).
بالنظر إلى الجدول الدوري، يمكننا أن نرى أن الفلور يقع في قمة مجموعة الهالوجينات. هذا يعني أن ذرة الفلور هي أصغر ذرات الهالوجينات، ويجب أن يكون إنثالبي رابطة الهيدروجين-الفلور أكبر هاليدات الهيدروجين. وبالتحرك لأسفل في المجموعة، نرى كل من الكلور والبروم واليود. واليود قريب من قاع مجموعة الهالوجينات. وهذا يعني أن ذرة اليود أكبر من ذرة الفلور أو الكلور أو البروم. وهذا يعني أيضًا أن إنثالبي رابطة الهيدروجين-اليود يجب أن يكون أصغر من إنثالبي أو أو . هاليد الهيدروجين الذي له أصغر إنثالبي للرابطة هو الخيار (أ).
ينتج عن تكوين إحدى الروابط مقدار الطاقة نفسه اللازمة لكسرها. على سبيل المثال، إذا لزم توفر 432 kJ لكسر مول واحد من روابط الهيدروجين-الهيدروجين، فهذا يعني انبعاث 432 kJ عند تكوين مول واحد من روابط الهيدروجين-الهيدروجين:
تكوين الروابط هي عملية طاردة للحرارة. وهذا يعني أن الطاقة تنبعث إلى الوسط المحيط.
تعريف: العملية الطاردة للحرارة
العملية الطاردة للحرارة هي عملية انبعاث الطاقة إلى الوسط المحيط.
أثناء التفاعل الكيميائي، يمكن أن تتكسر روابط بين المتفاعلات، وتتكون روابط جديدة لتكوين النواتج. لكن، على الأرجح، لن يكون مقدار الطاقة الكلية اللازمة لكسر الروابط مساويًّا لمقدار الطاقة الكلية المنبعثة عند تكوين روابط جديدة. والفرق بين الطاقة الكلية الممتصة والطاقة الكلية المنبعثة هو التغير في إنثالبي التفاعل (). ويعبر عن ذلك بالمعادلة التالية: حيث هو التغير في الإنثالبي و هو مجموع طاقات الروابط.
يمكن أن نعبر عن التغير في إنثالبي تفاعل بالرموز أو أو أو . إذا كانت قيمة موجبة ()، فإن التفاعل الكلي يكون ماصًّا للحرارة. سيمتص التفاعل الطاقة من الوسط المحيط، وقد يبرد الوعاء الذي يحدث فيه التفاعل. أما إذا كانت قيمة سالبة ، فإن التفاعل الكلي يكون طاردًا للحرارة. وسيؤدي التفاعل إلى انبعاث الطاقة إلى الوسط المحيط، وتزيد حرارة الوعاء الذي يحدث فيه التفاعل.
دعونا ننظر إلى التفاعل التالي:
لكي يبدأ التفاعل، لا بد من كسر رابطتين هيدروجين-هيدروجين أحاديتين ورابطة أكسجين-أكسجين مزدوجة، ويجب تكوين أربع روابط أكسجين-هيدروجين أحادية.
ويمكننا حساب التغير الكلي في إنثالبي التفاعل، إذا عرفنا طاقة الرابطة لكل نوع من الروابط.
| الرابطة | طاقة الرابطة (kJ/mol) |
|---|---|
| 432 | |
| 494 | |
| 459 |
نحن نعلم أنه تم كسر رابطتين هيدروجين-هيدروجين أحاديتين ورابطة أكسجين-أكسجين مزدوجة. يمكننا التعويض بطاقات الروابط في معادلة التغير في الإنثالبي:
كما نعلم أيضًا أنه تم تكوين أربعة روابط أكسجين-هيدروجين أحادية. يمكننا التعويض بطاقات الروابط في المعادلة: وحلها لإيجاد التغير في إنثالبي التفاعل:
تشير الإشارة السالبة إلى انبعاث الطاقة إلى الوسط المحيط وأن التفاعل طارد للحرارة.
مثال ٣: التغير في طاقة الرابطة في تفاعل الإزاحة بين الماء والغاز
يُعَدُّ تفاعُل الإزاحة بين الماء والغاز مصدرًا أساسيًّا لغاز الهيدروجين المُستخدَم في العمليات الصناعية. في هذا التفاعل، يتفاعل أول أكسيد الكربون مع البخار لينتج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون:
يوضح الجدول طاقات بعض الروابط. احسب التغيُّر الكلي في طاقة الروابط لهذا التفاعل، لكل مول من غاز الهيدروجين الناتج.
| الرابطة | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| طاقة الرابطة (kJ/mol) | 432 | 411 | 459 | 358 | 799 | 1 072 |
الحل
أولًا، علينا التأكد من أن المعادلة الكيميائية موزونة. بعد التحقق من وجود ذرة كربون واحدة وذرتين من الأكسجين وذرتين من الهيدروجين في طرفي التفاعل، علينا تحديد البنية الكيميائية لكل نوع في التفاعل. أول أكسيد الكربون () يحتوي على رابطة كربون-أكسجين ثلاثية. ويحتوي الماء () على رابطتي هيدروجين-أكسجين أحاديتين. ويحتوي ثاني أكسيد الكربون () على رابطتين كربون-أكسجين مزدوجتين. أما غاز الهيدروجين () فيحتوي على رابطة هيدروجين-هيدروجين أحادية.
لحساب التغير الكلي في طاقة الرابطة أو التغير في إنثالبي التفاعل ()، يمكننا استخدام المعادلة التالية: حيث هو التغير في إنثالبي التفاعل و هو مجموع طاقات الروابط. تحتوي المتفاعلات على روابط سيتم كسرها، وتحتوي النواتج على روابط سيتم تكوينها. وفي هذا التفاعل، سيتم كسر رابطة واحدة ورابطتي :
وسيتم تكوين رابطتي ورابطة :
يمكننا التعويض بطاقات الروابط المناسبة في المعادلة: وحلها لإيجاد التغير في إنثالبي التفاعل:
تشير الإشارة السالبة إلى أن التفاعل الكلي طارد للحرارة. يطلب منا السؤال إيجاد التغير الكلي في طاقة الروابط لكل مول من غاز الهيدروجين. بالنظر إلى المعادلة الكيميائية الموزونة، يمكننا ملاحظة أنه ينتج مول واحد فقط من غاز الهيدروجين خلال هذا التفاعل. ومن ثَمَّ، فإن kJ/mol هو التغير الكلي في طاقة الرابطة لهذا التفاعل، لكل مول من غاز الهيدروجين.
يمكننا أيضًا استخدام طاقات الروابط لروابط محددة والتغير في إنثالبي التفاعل لتحديد طاقة رابطة مجهولة.
مثال ٤: طاقات روابط كلورو الميثان
ينتج كلورو الميثان من تفاعل الميثان () مع غاز الكلور في وجود الأشعة فوق البنفسجية. توضِّح المعادلة الآتية هذا التفاعل.
ينطلق عن تفاعل 1.00 mol من الميثان 104 kJ من الطاقة. يوضِّح الجدول الآتي طاقات بعض الروابط في المتفاعلات والنواتج.
| الرابطة | |||
|---|---|---|---|
| الطاقة (kJ/mol) | 428 | 240 | 411 |
احسب، لأقرب كيلو جول لكل مول (kJ/mol)، طاقة الرابطة .
الحل
أولًا، علينا التأكد من أن المعادلة الكيميائية موزونة. بعد التحقق من وجود ذرة كربون واحدة وذرتين كلور وأربعة ذرات هيدروجين في كلا طرفي التفاعل، يمكننا متابعة حل المسألة.
لحساب طاقة رابطة يمكننا استخدام معادلة التغير في الإنثالبي: حيث هو التغير في إنثالبي التفاعل و هو مجموع طاقات الروابط.
ونحن نعلم أن التفاعل يطلق 104 kJ من الطاقة لواحد مول من الميثان. يمكننا إعادة كتابة هذه المعطيات على الصورة kJ/mol. تشير الإشارة السالبة إلى انبعاث الطاقة. هذه القيمة هي التغير في إنثالبي التفاعل () ويتم التعويض بها في المعادلة:
يمكننا أن نلاحظ من معادلة التفاعل أنه لابد من كسر رابطة كربون-هيدروجين الأحادية، ورابطة كلور-كلور الأحادية. ويجب تكوين رابطة كربون-كلور الأحادية ورابطة هيدروجين-كلور الأحادية في هذا التفاعل.
بإضافة هذه المعلومات إلى المعادلة، نحصل على ما يلي:
يمكننا التعويض بطاقات الروابط المعروفة في المعادلة: وإعادة ترتيبها لإيجاد طاقة رابطة :
طاقة رابطة هي: 327 kJ/mol.
يمكن استخدام مخطط منحنى التفاعل لتمثيل أو تحديد التغير في إنثالبي التفاعل. فيما يلي مخطط لمنحنى التفاعل لتفاعل الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الماء:
في مخطط منحنى التفاعل، توضح المتفاعلات في الطرف الأيسر، والنواتج في الطرف الأيمن. ويوجد بين المتفاعلات والنواتج، الذرات المنفصلة عند قمة المنحنى. وتمثل قمة المنحنى حالة وسيطة توجد بعد تكسر الروابط بين المتفاعلات، ولكن قبل تكون الروابط بين النواتج. الفرق في الطاقة بين المتفاعلات والمواد الوسيطة هو طاقة الرابطة الكلية للروابط المكسورة. والفرق في الطاقة بين المواد الوسيطة والنواتج هو طاقة الرابطة الكلية للروابط المتكونة. والفرق في الطاقة بين المتفاعلات والنواتج هو التغير في الإنثالبي.
في التفاعل الطارد للحرارة، تكون طاقة النواتج أقل من طاقة المتفاعلات. أما التفاعل الماص للحرارة، الموضح في مخطط منحنى التفاعل التالي، ستكون طاقة النواتج أكبر من طاقة المتفاعلات:
مثال ٥: تفسير مخطط منحنى تفاعل
أيُّ مُخطَّطات منحنى التفاعل الآتية تكون عندها الطاقة اللازمة لكسر الروابط الكيميائية هي الكبرى؟
الحل
في مخطط منحنى التفاعل، يمثل الخط الموجود في أقصى اليسار المتفاعلات، والخط الموجود في أقصى اليمين يمثل النواتج. وتمثل قمة المنحنى حالة وسيطة بعد تكسر الروابط في المتفاعلات، ولكن قبل تكون الروابط في النواتج.
يمثل الفرق في الطاقة بين المتفاعلات والمواد الوسيطة الطاقة اللازمة لكسر الروابط الموجودة في التفاعل. ويمثل الفرق في الطاقة بين المواد الوسيطة والنواتج الطاقة المنبعثة عند تكوين روابط جديدة. الفرق في الطاقة بين المتفاعلات والنواتج هو التغير في إنثالبي التفاعل ().
علينا تحديد المنحنى الذي تكون فيه الطاقة اللازمة لكسر الروابط الكيميائية هي الكبرى. سيكون لهذا المنحنى الفرق الأكبر بين طاقة المتفاعلات وطاقة المواد الوسيطة. في جميع المنحنيات الأربعة، تكون للمتفاعلات نفس طاقة البداية، لكن المنحنى (أ) به أعلى قمة للحالة الوسيطة.
هذا يعني أن المنحنى (أ) سيكون له أكبر فرق بين طاقتي المتفاعلات والمواد الوسيطة. إذن، المنحنى (أ) هو الذي تكون عنده الطاقة اللازمة لكسر الروابط الكيميائية هي الكبرى.
النقاط الرئيسية
- الطاقة اللازمة لكسر مول واحد من نوع معين من الروابط يعرف باسم طاقة الرابطة ووحدتها هي: kJ/mol.
- كسر الروابط هي عملية ماصة للحرارة، بينما تكوين الروابط هي عملية طاردة للحرارة.
- بوجه عام، الروابط الثلاثية لها طاقة رابطة أكبر من الروابط المزدوجة التي لها طاقة أكبر من الروابط الأحادية.
- التغير في إنثالبي التفاعل () يمكن حسابه باستخدام المعادلة التالية:
- عندما تكون قيمة موجبة، فإن التفاعل الكلي ماص للحرارة، وعندما تكون قيمة سالبة، فإن التفاعل الكلي طارد للحرارة.
- يمكن استخدام مخطط منحنى التفاعل لتمثيل الطاقة اللازمة لكسر الروابط والطاقة المنبعثة عند تكوين الروابط، والتغير في إنثالبي التفاعل.
