键能

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介绍

在孤立的气态原子中形成气态化合物时，形成一摩尔键所产生的能量称为键形成能或键能。将两个气态化合物之间的键断裂并产生孤立气态原子所需的能量称为键解离能。对于双原子分子，这两个值通常相同，因此使用“键能”一词。对于多原子分子，使用“平均键能”一词来描述键能。

对应于化学键的键能

通过测量将一摩尔分子分解成其组成原子所需的热量来测量与断裂分子各个键相关的平均键能。当键能越高，原子之间的距离（键长）越短时，则称这两个原子之间的键“更强”。

例如，水分子中的HO-H键需要494 kJ/mol的能量才能断裂并产生氢氧根离子（OH–）。断裂氢氧根离子中的O-H键还需要额外的425 kJ/mol。

因此，这两个值的平均值，即459 kJ/mol，被认为是水中共价O-H键的键能。将水分子中连续的O-H键断裂所需的能量值称为“键解离能”，它们与键能不同。键能是分子键解离能的总和。

分子中其他键的性质会影响特定类型键的确切参数；例如，C–H键的能量和长度会根据连接到碳原子的其他原子而变化。同样，C-H键的长度在不同分子之间可以相差多达4-5%。

因此，键能和键长表中报告的值通常是包含特定原子对的一系列化合物的平均值。

键	键长（埃）	键能（kJ/mol）
C-C	1.54	348
C=C	1.34	614
C≡C	1.20	839

计算键能

• 对于双原子分子（HCl）

HCl是氢气和氯气结合的结果，如下所示

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

下表中提到了每个键对应的键能

键	键能（kJ/mol）
H-H	437
Cl-Cl	244
H-Cl	433

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

• 对于多原子分子 $\mathrm{(H_2O)}$

让我们计算水分子中O-H键的键能。反应可以表示为

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

水分子中每个O-H键的键能可以认为是每个单独O-H键的平均键能。可以通过以下方式计算

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

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

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

其中，$\mathrm{BE_1}$ 表示断裂 $\mathrm{H_2O }$ 中一个O-H键所需的能量，$\mathrm{BE_2}$ 表示断裂OH中一个O-H键所需的能量。

影响键能的因素

• 随着原子尺寸的增加，键长增加，键能降低，键强度降低。

• 两个相同原子之间键的键能随着键多重性的增加而增加。

• 随着键合原子上的孤对电子数的增加，它们之间的排斥力增加，键能降低。

• 随着键能的增加，杂化轨道上的s轨道贡献增加。因此，键能按以下顺序降低：$\mathrm{sp\:\gt\: sp^2\:\gt\:sp^3}$

• 电负性差异越大，键极性越大，因此键强度或键能越大。因此，卤化物遵循以下顺序：$\mathrm{H-F\:\gt\:H-Cl\:\gt\:H-Br\:\gt\:H-I.}$

结论

键能是衡量将一摩尔化合物分解成其组成原子所需的键强度的指标。它也被称为键焓或平均键焓。化学键的稳定性与其键能成正比。

常见问题

Q1. 定义键能。

答：在孤立的气态原子中形成气态化合物时，形成一摩尔键所产生的能量称为键形成能或键能。

Q2. 键能和键解离能有什么区别？

答：键解离能表示在均裂中断裂特定键所需的能量。而键能是指分解化合物中相同两种类型的原子之间所有存在的键所需的平均能量。对于双原子分子，键能等于键解离能。

Q3. $\mathrm{CH_4}$ 中C-H键的键能表达式是什么？

答：$\mathrm{CH_4}$ 中键能的表达式为

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

其中BE1表示断裂$\mathrm{CH_4}$ 中一个C-H键所需的键能，$\mathrm{BE_2}$ 表示断裂$\mathrm{CH_3}$ 中一个C-H键所需的键能，$\mathrm{BE_3}$ 表示断裂$\mathrm{CH_2}$ 中一个C-H键所需的键能，$\mathrm{BE_4}$ 表示断裂CH中一个C-H键所需的键能。

Q4. 哪些因素会影响键能？

答：影响键能的因素有

(i) 原子半径

(ii) 电负性

(iii) 键合原子上的孤对电子数

Q5. 极性对键能有什么影响？

答：由于电负性差异较大，极性更强的键在两个原子之间具有更大的电荷分离（偶极矩）。因此，与共价特性相比，该键将具有更大的离子趋势。随着极性的增加，键能也会增加。