鍵能

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介紹

在孤立的氣態原子中形成氣態化合物時，形成一摩爾鍵所產生的能量稱為鍵形成能或鍵能。將兩個氣態化合物之間的鍵斷裂併產生孤立氣態原子所需的能量稱為鍵解離能。對於雙原子分子，這兩個值通常相同，因此使用“鍵能”一詞。對於多原子分子，使用“平均鍵能”一詞來描述鍵能。

對應於化學鍵的鍵能

透過測量將一摩爾分子分解成其組成原子所需的熱量來測量與斷裂分子各個鍵相關的平均鍵能。當鍵能越高，原子之間的距離（鍵長）越短時，則稱這兩個原子之間的鍵“更強”。

例如，水分子中的HO-H鍵需要494 kJ/mol的能量才能斷裂併產生氫氧根離子（OH–）。斷裂氫氧根離子中的O-H鍵還需要額外的425 kJ/mol。

因此，這兩個值的平均值，即459 kJ/mol，被認為是水中共價O-H鍵的鍵能。將水分子中連續的O-H鍵斷裂所需的能量值稱為“鍵解離能”，它們與鍵能不同。鍵能是分子鍵解離能的總和。

分子中其他鍵的性質會影響特定型別鍵的確切引數；例如，C–H鍵的能量和長度會根據連線到碳原子的其他原子而變化。同樣，C-H鍵的長度在不同分子之間可以相差多達4-5%。

因此，鍵能和鍵長表中報告的值通常是包含特定原子對的一系列化合物的平均值。

鍵	鍵長（埃）	鍵能（kJ/mol）
C-C	1.54	348
C=C	1.34	614
C≡C	1.20	839

計算鍵能

• 對於雙原子分子（HCl）

HCl是氫氣和氯氣結合的結果，如下所示

$$\mathrm{H-H + Cl-Cl\:\rightarrow\:2 HCl}$$

下表中提到了每個鍵對應的鍵能

鍵	鍵能（kJ/mol）
H-H	437
Cl-Cl	244
H-Cl	433

能量變化 =（437 + 244）– 2 × 433 kJ/mol =（681 – 866）kJ/mol = - 185 kJ/mol

• 對於多原子分子 $\mathrm{(H_2O)}$

讓我們計算水分子中O-H鍵的鍵能。反應可以表示為

$$\mathrm{H_2O + BE\:\rightarrow\:H + OH}$$

水分子中每個O-H鍵的鍵能可以認為是每個單獨O-H鍵的平均鍵能。可以透過以下方式計算

$$\mathrm{H_2O + BE_1\:\rightarrow\:H + OH}$$

$$\mathrm{OH + BE_2\:\rightarrow\:H + O}$$

$$\mathrm{因此，\:BE (O−H)=\frac{BE_1+ BE_2}{2}}$$

其中，$\mathrm{BE_1}$ 表示斷裂 $\mathrm{H_2O }$ 中一個O-H鍵所需的能量，$\mathrm{BE_2}$ 表示斷裂OH中一個O-H鍵所需的能量。

影響鍵能的因素

• 隨著原子尺寸的增加，鍵長增加，鍵能降低，鍵強度降低。

• 兩個相同原子之間鍵的鍵能隨著鍵多重性的增加而增加。

• 隨著鍵合原子上的孤對電子數的增加，它們之間的排斥力增加，鍵能降低。

• 隨著鍵能的增加，雜化軌道上的s軌道貢獻增加。因此，鍵能按以下順序降低：$\mathrm{sp\:\gt\: sp^2\:\gt\:sp^3}$

• 電負性差異越大，鍵極性越大，因此鍵強度或鍵能越大。因此，鹵化物遵循以下順序：$\mathrm{H-F\:\gt\:H-Cl\:\gt\:H-Br\:\gt\:H-I.}$

結論

鍵能是衡量將一摩爾化合物分解成其組成原子所需的鍵強度的指標。它也被稱為鍵焓或平均鍵焓。化學鍵的穩定性與其鍵能成正比。

常見問題

Q1. 定義鍵能。

答：在孤立的氣態原子中形成氣態化合物時，形成一摩爾鍵所產生的能量稱為鍵形成能或鍵能。

Q2. 鍵能和鍵解離能有什麼區別？

答：鍵解離能表示在均裂中斷裂特定鍵所需的能量。而鍵能是指分解化合物中相同兩種型別的原子之間所有存在的鍵所需的平均能量。對於雙原子分子，鍵能等於鍵解離能。

Q3. $\mathrm{CH_4}$ 中C-H鍵的鍵能表示式是什麼？

答：$\mathrm{CH_4}$ 中鍵能的表示式為

$$\mathrm{BE(C-H)=\frac{BE_1+BE_2+BE_3+BE_4}{4}}$$

其中BE1表示斷裂$\mathrm{CH_4}$ 中一個C-H鍵所需的鍵能，$\mathrm{BE_2}$ 表示斷裂$\mathrm{CH_3}$ 中一個C-H鍵所需的鍵能，$\mathrm{BE_3}$ 表示斷裂$\mathrm{CH_2}$ 中一個C-H鍵所需的鍵能，$\mathrm{BE_4}$ 表示斷裂CH中一個C-H鍵所需的鍵能。

Q4. 哪些因素會影響鍵能？

答：影響鍵能的因素有

(i) 原子半徑

(ii) 電負性

(iii) 鍵合原子上的孤對電子數

Q5. 極性對鍵能有什麼影響？

答：由於電負性差異較大，極性更強的鍵在兩個原子之間具有更大的電荷分離（偶極矩）。因此，與共價特性相比，該鍵將具有更大的離子趨勢。隨著極性的增加，鍵能也會增加。