אנרגיית קשר   עודכן לאחרונה!


אנרגיית קשר

בשיעור מבנה וקישור למדנו על חוזק הקשר הקוולנטי ועל הגורמים המשפיעים על חוזק זה. בשיעור הזה נלמד כיצד להשתמש בערכי אנרגיית הקשר (אנתלפיית הקשר) ובעזרתם לחשב את שינוי האנתלפיה עבור תהליכים שונים.

מהי אנתלפיית קשר או אנרגיית קשר ?

אפשר להגדיר אנתלפיית קשר בשני אופנים, תוך התייחסות לשבירת קשר או ליצירת קשר.

כפי כבר למדנו כששוברים קשר יש להשקיע אנרגיה ולכן מדובר בתהליך אנדותרמי ΔHº > 0.
כשנוצר קשר כלומר כשהתהליך הפוך וכופלים ב-1-, נפלטת אנרגיה והתהליך אקסותרמי ΔHº < 0.

איך נגדיר אנתלפיית קשר?

1. האנרגיה הדרושה לפירוק של 1 מול קשרים במצב גז לאטומים בודדים במצב גז

לדוגמה:

HCℓ(g)    →    H(g) + Cℓ(g)        ΔHº= 431kJ

ראשית נתייחס לחומר HCℓ(g).
מדובר בחומר מולקולרי שבו אטום המימן H קשור בקשר קוולנטי יחיד לאטום כלור Cℓ.
H — Cℓ
במולקולה אחת של HCℓ יש קשר אחד ולכן ב-1 מול מולקולות של HCℓ יש 1 מול קשרים כאלה.
יש להשקיע 431 קילו ג'אול כשמפרקים 1 מול קשרים של החומר במצב גז ליצירת 1 מול אטומי מימן ו- 1 מול אטומי כלור.
מדוע כל המרכיבים צריכים להיות במצב גז?
כי אם ניקח, למשל, את החומר HCℓ במצב נוזל וננסח את התגובה באופן הבא:

HCℓ(ℓ)    →    H(g) + Cℓ(g)

אז כדי לפרק את הקשר, כאמור, יש להשקיע אנרגיה. אבל, במקרה זה, בשלב הראשון יש להתגבר על  אינטראקציות ואן דר ואלס בין מולקולות ה- HCℓ(ℓ). אלו אינטראקציות חלשות יותר מהקשרים הקוולנטיים בין אטום המימן לאטום הכלור בתוך המולקולה.
לכן, במקרה זה כדי לנתק את הקשר בין אטום הכלור לאטום המימן במולקולת ה- HCℓ, נצטרך ראשית להשקיע אנרגיה במעבר החומר למצב גז, ורק אז הקשר יישבר. האנרגיה שתימדד או שתחושב אינה נצרכת רק לניתוק הקשר בתוך המולקולה אלא גם להתגברות על האינטראקציות בין המולקולות.
באותו האופן ניתן גם להסביר ולהבין מדוע בתוצרים רשומים אטומים במצב גז ולא במצב צבירה אחר וכן מדוע מולקולות מימן H2 או מולקולות כלור Cℓ2 אינן רשומות.

הדרך השנייה להגדיר את אנתלפיית הקשר היא:

2.  האנרגיה שנפלטת בזמן יצירת 1 מול קשרים במצב גז מאטומים בודדים במצב גז

לדוגמה :

H(g) + Cℓ(g)    →    HCℓ(g)     ΔHº= – 431kJ

שימו ♥ שעכשיו נוצר קשר בין אטום המימן לבין אטום הכלור.
כשנוצר קשר נפלטת אנרגיה והתגובה אקסותרמית.
הנתונים עבור אנתלפיית הקשר, הם בדרך כלל בערך מספרי חסר סימן.
אם נתייחס ליצירת הקשר ניקח אותם עם סימן " – " ואם נתייחס לשבירת הקשר ניקח אותם עם סימן "+" .
דוגמה :
נתון שאנתלפיית הקשר עבור הקשר H—S היא:  368 kJ/moℓ .
ראשית, מדוע היחידות הם kJ/moℓ ולא רק kJ?
כשהיחידות הם kJ/moℓ המשמעות היא שעבור מול של ……( במקרה הזה קשרים) שינוי האנרגיה הוא ……. kJ .
בדוגמה הזו, ניתן לומר שכדי לנתק מול של קשרים בין S—H יש להשקיע 368 kJ .
כעת ניקח שאלה שמתייחס לאנתלפיית הקשר ונראה את המשמעות הכמותית כלומר המולים בתוכה.
דוגמה:
נתון שאנתלפיית הקשר עבור הקשר H—S היא 368 kJ/moℓ .
מה יהיה שינוי האנתלפיה עבור התגובה הבאה?

H2S(g)    →    2H(g) + S(g)

כדי לענות על שאלה זו, יש לדעת אילו קשרים נשברים? וכמה קשרים נשברים?
לשם כך יש להיזכר במבנה המולקולה:

מבנה מולקולה H2S

במולקולה H2S יש שני קשרים בין H—S, שימו ♥ שאנו סופרים את מספר הקשרים ולא את מספר האטומים.
לכן, ניתן לומר שב-1 מול של החומר H2S יש 2 מול קשרים של H—S ובמולקולה אחת של H2S יש 2 קשרים של H—S.

לפי ההגדרה שראינו עבור אנתלפיית קשר, והנתון של אנרגיה הקשר עבור הקשר H—S שהיא 368 kJ/moℓ (ערך זה מתייחס למול אחד של קשרים) כיוון שיש כאן 2 מול קשרים, צריך כמות כפולה של אנרגיה ולכן:

H2S(g)    →    2H(g) + S(g)         ΔHº= 736kJ

התגובה היא כמובן אנדותרמית כי נשברים בה קשרים. בתגובה כזו יש להשקיע אנרגיה.

נתבונן בדוגמה נוספת :

4H(g) + C(g)    →    CH4(g)         ΔHº= ?kJ

נתון שאנתלפיית הקשר C—H היא 416kJ/moℓ.
מהו שינוי האנתלפיה עבור התגובה הנתונה ?
שוב נבדוק כמה קשרים ואילו יש בחומר CH4
מבנה מולקולת CH4 (טטראדר)

בחומר CH4 יש 4 קשרים של C—H. לכן, כאשר נוצרים 4 מול של קשרים של C—H משתחררת אנרגיה של
416 x 4 = 1664 kJ ולכן:

4H(g) + C(g)    →    CH4(g)          ΔHº= -1664kJ

שימו ♥ שבמקרה הזה נוצרים קשרים ולכן התגובה היא אקסותרמית / נפלטת אנרגיה.