Esimerkki keskustelukysymyksestä sidosenergiasta
Johdanto
Sidosenergia on kemian keskeinen käsite, joka auttaa meitä ymmärtämään molekyylin sisäisen sidoksen katkeamiseen tarvittavan energian. Yksinkertaisesti sanottuna sidosenergia on energiamäärä, joka tarvitaan kahden molekyylissä yhteen sitoutuneen atomin erottamiseen erillisiksi atomeiksi. Tässä artikkelissa ymmärrämme sidosenergian käsitteen useiden esimerkkiongelmien ja niiden käsittelyn avulla.
Sidosenergian käsite
Sidosenergia ilmaistaan kilojouleina moolia kohden (kJ/mol), ja jokaisella kemiallisella sidostyypillä on erilainen sidosenergia. Esimerkiksi yksittäisen C-H (hiili-vety) sidoksen sidosenergia on erilainen kuin kaksois-C=O (hiili-happi) sidoksen sidosenergia.
Reaktion entalpian muutoksen (\(\DeltaH\)) laskemiseen sidosenergiat huomioon ottaen yleisesti käytetty yhtälö on:
\[
\Delta H = \Sigma D_{\text{reagenssit}} – \Sigma D_{\text{tuotteet}}
\]
Missä \(D_{\text{reactants}}\) ja \(D_{\text{products}}\) ovat reagoivien aineiden ja tuotteiden sidosenergiat. Toisin sanoen reagoivien aineiden sidosenergioiden summa vähennettynä tuotteiden sidosenergioiden summalla.
Katso myös Soal ja Pembahasan
Kysymys 1
Tiedetään, että seuraavien sidosten keskimääräinen sidosenergia on:
– HH-sidos: 436 kJ/mol
– O=O-sidos: 498 kJ/mol
– HO-sidos: 463 kJ/mol
Laske seuraavan reaktion entalpian muutos (\(\Delta H\)):
\[
2H_2(g) + O_2(g) \nuoli oikealle 2H_2O(g)
\]
Keskustelu:
Ensimmäinen vaihe on kirjoittaa reaktio ja laskea reagoivien aineiden ja tuotteiden sisältämien sidosten lukumäärä.
Reagensseille:
– Kaksi \(H_2\)-molekyyliä tarkoittaa, että HH-sidoksia on kaksi
– Yksi \(O_2\)-molekyyli tarkoittaa, että on yksi O=O-sidos
Tuotteille:
– 2 \(H_2O\)-molekyyliä tarkoittaa 4 HO-sidosta
Reagenssien kokonaissidosenergia:
\[
2 \times \text{Sidosenergia HH} + 1 \times \text{Sidosenergia O=O}
\]
\[
= 2 kertaa 436 + 1 kertaa 498
\]
\[
= 872 + 498
\]
\[
= 1370 kJ/mol
\]
Tuotteen kokonaissidosenergia:
\[
4 \times \text{HO-sidosenergia}
\]
\[
= 4 kertaa 463
\]
\[
= 1852 kJ/mol
\]
Entalpian muutos (\(\Delta H\)):
\[
\Delta H = \Sigma D_{\text{reagenssit}} – \Sigma D_{\text{tuotteet}}
\]
\[
= 1370 \teksti{ kJ/mol} – 1852 \teksti{ kJ/mol}
\]
\[
= -482 kJ/mol
\]
Joten reaktion entalpian muutos on \(-482\) kJ/mol.
Kysymys 2
Oletetaan, että seuraavat sidosenergiat tunnetaan:
– CH-sidos: 414 kJ/mol
– C=C-sidos: 612 kJ/mol
– HH-sidos: 436 kJ/mol
Laske seuraavan reaktion entalpian muutos (\(\Delta H\)):
\[
C_2H_4(g) + H_2(g) \nuoli oikealle C_2H_6(g)
\]
Keskustelu:
Ensimmäinen vaihe on kirjoittaa reaktio ja laskea reagoivien aineiden ja tuotteiden sisältämien sidosten lukumäärä.
Reagensseille:
– Yhdessä \(C_2H_4\)-molekyylissä (etyleeni) on 4 CH-sidosta ja 1 C=C-sidos
– Yhdessä \(H_2\)-molekyylissä on yksi HH-sidos
Tuotteille:
– Yhdessä \(C_2H_6\)-molekyylissä (etaanissa) on 6 CH-sidosta ja 1 CC-sidos
Reagenssien kokonaissidosenergia:
\[
4 \times \text{Sidosenergia CH} + 1 \times \text{Sidosenergia C=C} + 1 \times \text{Sidosenergia HH}
\]
\[
= 4 kertaa 414 + 1 kertaa 612 + 1 kertaa 436
\]
\[
= 1656 + 612 + 436
\]
\[
= 2704 kJ/mol
\]
Tuotteen kokonaissidosenergia:
\[
6 \times \text{CH-sidosenergia} + 1 \times \text{CC-sidosenergia}
\]
\[
= 6 kertaa 414 + 1 kertaa 348
\]
\[
= 2484 + 348
\]
\[
= 2832 kJ/mol
\]
Entalpian muutos (\(\Delta H\)):
\[
\Delta H = \Sigma D_{\text{reagenssit}} – \Sigma D_{\text{tuotteet}}
\]
\[
= 2704 \teksti{ kJ/mol} – 2832 \teksti{ kJ/mol}
\]
\[
= -128 kJ/mol
\]
Joten reaktion entalpian muutos on \(-128\) kJ/mol.
Johtopäätös
Sidosenergian käsite on perustavanlaatuinen elementti kemiallisten reaktioiden ja niiden entalpiamuutosten tutkimuksessa. Tässä artikkelissa olemme käsitelleet kahta esimerkkiongelmaa, jotka osoittavat, miten entalpiamuutokset reaktioissa lasketaan sidosenergiaa käyttäen. Tämä ymmärrys on ratkaisevan tärkeää monissa kemiallisissa sovelluksissa, orgaanisesta synteesistä polttoaineiden kehittämiseen. Syvempi ymmärrys voidaan saavuttaa säännöllisen harjoittelun ja erityyppisten kemiallisten reaktioiden tutkimisen avulla.
Käytä tässä artikkelissa kuvattuja tekniikoita oppaana tulevien sidosenergiaongelmien ratkaisemiseen ja harkitse muita lisäoppimisresursseja syventääksesi tietämystäsi sidosenergiakemiasta.
