אנרגיית קשר


אנרגיית קשר

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

מהי אנתלפיית קשר או אנרגיית קשר ?

ניתן להגדיר אנתלפיית קשר בשני אופנים: ניתן להתייחס לשבירת קשר או ליצירת קשר.

כפי כבר למדנו וראינו כששוברים קשר יש להשקיע אנרגיה, מדובר בתהליך אנדותרמי ΔHº > 0.
ולכן כשנוצר קשר (שזהו התהליך ההפוך כופלים ב-1-), נפלטת אנרגיה זהו תהליך אקסותרמי ΔHº < 0.

אז איך נגדיר אנתלפיית קשר?

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

לדוגמא:

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
ניתן לומר שבמולקולה אחת של HCℓ יש קשר אחד, אז ב- 1 מול מולקולות של HCℓ יש 1 מול קשרים כאלה.
כשמפרקים 1 מול קשרים כאלה (כשהחומר במצב גז), ונוצרים 1 מול אטומי מימן ו- 1 מול אטומי כלור
לפי התגובה שניסחנו יש להשקיע 431 קילו ג'אול .
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 ינתנתקו קשרי הואן דר ואלס בין מולקולות ה- HCℓ(ℓ), הם חלשים מהקשרים הקוולנטיים בתוך המולקולה, בין אטום המימן לאטום הכלור.
ולכן, 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 ישבר. האנרגיה שתימדד או שתחושב היא לא רק הניתוק של הקשר בתוך המולקולה אלא גם עבור הקשרים בין המולקולות.
באותו האופן ניתן גם להסביר ולהבין מדוע בתוצרים רשומים אטומים במצב גז (ולא במצב צבירה אחר) וכן מדוע לא רשומות מולקולות מימן H2 או מולקולות כלור Cℓ2 .

הדרך השנייה להגדיר את אנתלפיית הקשר היא:

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

לדוגמא :

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

שימו לב ♥ שעכשיו נוצר קשר בין אטום המימן, לבין אטום הכלור.
כשנוצר קשר נפלטת אנרגיה התגובה  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 משמע 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 איזה קשרים נשברים? וכמה קשרים נשברים?
לשם כך יש להיזכר במבנה המולקולה:

מבנה מולקולה H2S

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

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

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

התגובה היא כמובן אנדותרמית, כי היא מתארת תגובה שבה נשברים קשרים. בתגובה כזו יש להשקיע אנרגיה.

בואו נראה דוגמא 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 ואיזה יש בחומר CH4
מבנה מולקולת CH4 (טטראדר)

בחומר CH4 יש 4 קשרים של C—H. ולכן, 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 לב ♥ שבמקרה הזה נוצרים קשרים ולכן התגובה היא אקסותרמית / נפלטת אנרגיה.