Δήμητρα Σπανού, χημικός, καθηγήτρια Β/θμιας Εκπ/σης, μόνιμη στο 1ο
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Από τους γενικούς νόμους της Φυσικής έχουμε ότι οποιαδήποτε αλλαγή στη φύση συνοδεύεται από ενεργειακές μεταβολές (μπορούμε ίσως να έχουν την αιτία τους ε αυτές)
Στην Χημεία οι αλλαγές που μας απασχολούν αναφέρονται σε αλλαγές στο υλική σύσταση των σωμάτων και για αυτόν τον λόγο, θα πρέπει κατά τη μελέτη τους να αναφερθούμε σε έννοιες όπως η Εσωτερική Ενέργεια και η Ενθαλπία
αναφορές βρίσκονται και στο
Η ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΕ ΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
Η Εσωτερική Ενέργεια ενός σώματος ονομάζεται το μέρος της συνολικής ενέργειας ενός σώματος που δεν εξαρτάται από την επιλογή του πλαίσιου αναφοράς,
Περιλαμβάνει ένα σύνολο Συνιστωσών Ενεργειών που πολλές φορές εξαρτώνται από το πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί.
Παράδειγμα, ενώ στην Εσωτερική Ενέργεια ενός σώματος ή ενός συστήματος μπορεί να συμπεριλάβουμε την Κινητική των επιμέρους συστατικών του ( μεταφορική, περιστροφική, δονήσεων), την Ενέργεια Αλληλοεπιδράσεων Συστατικών του και αυτό αρκεί. Όταν όμως έχουμε ειδικές συνθήκες, όπως υψηλές θερμοκρασίες, ακτινοβολίες κ.α., θα πρέπει να συμπεριλάβουμε και την Ενέργεια από Πυρηνικές Διασπάσεις. ενώ αυτό δεν συμβαίνει σε φυσιολογικές συνθήκες.
σε ένα σύστημα, η Εσωτερική Ενέργεια αποτελεί το άθροισμα των Εσωτερικών Ενεργειών των Υποσυστημάτων του ή των επι μέρους συστατικών του (και αυτό ίσως θα φανεί χρήσιμο στον υπολογισμό της αλλαγής στην Εσωτερική ενέργεια κατά των σχηματισμό μορίων, ιοντικών συμπλεγμάτων συσσωματώσεων κ.α.).
Σε ένα σύστημα χημικών αντικειμένων (ατόμων , μορίων ιόντων κ.λ.π.) θα πρέπει να έχουμε υπ' όψην μας την διαφορά στην Εσωτερική Ενέργεια εάν το σύστημα αυτό είναι ανοικτό ή κλειστο
Σε ένα ανοικτό σύστημα η μεταβολή στην εσωτερική του ενέργεια εξαρτάται από το ποσό της θερμότητας που ανταλλάσσεται ανάμεσα στο σύστημα και το περιβάλλον (dQ), το έργο που εισρέει ή εκρέει στο σύστημα dW και την μεταβολή της εσωτερικής του ενέργειας λόγω της ροής της ύλης ( dUmatter).
dU = dQ + dW +dUmatter
Σε ενα κλειστό σύστημα η μεταβολή στην εσωτερική του ενέργεια οφείλεται στην θερμότητα που ανταλλάσει με το περιβάλλον (dQ) και το έργο που παράγεται ή καταναλώνεται dU = dQ +dW
Στην Εσωτερική ενέργεια δεν περιλαμβάνεται ενέργεια εξωτερικών κινήσεων του συστήματος ή σώματος, αλλά μόνο οι κινήσεις συστατικών του εντός αυτού.
Επίσης για να υπολογίσουμε την εσωτερική Ενέργεια, επιλεγουμε ένα μηδέν αναφοράς και μετράμε από εκεί.
Η ΕΝΘΑΛΠΙΑ ΣΑΝ ΜΕΤΡΟ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΕΡΓΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ)
Εκτός από την Εσωτερική Ενέργεια σημαντικό μέγεθος για να υπολογίσουμε την ενεργειακή κατάσταση σώματος ή συστήματος είναι η Ενθαλπία , που εκτός από την εσωτερική ενέργεια υπολογίζεται με αυτήν και το έργο που απαιτήθηκε ή που ελευθερώθηκε για να τοποθετηθούν τα επι μέρους συστατικά του συστήματος που εξετάζεται στις συγκεκριμένες θέσεις. Πρακτικά η Ενθαλπία υπολογίζεται από την Εσωτερική ενέργεια συν το γινόμενο της Πίεσης επί την μεταβολή του όγκου που αντιστοιχεί στο έργο που αναφέρθηκε. ΔΗv= ΔU + PΔV
Χρησιμοποιείται και στην Χημεία όπως και στην περίπτωση που εξετάζουμε, δηλαδή στην δημιουργία χημικών δεσμών
Κατά τις μεταβολές αυτές μεταξύ των αρχικών και τελικών σωμάτων, η μεταβολή της Ενθαλπίας ορίζεται από την διαφορά μεταξύ της τελικής και της αρχικής κατάστασης , δίνεται δε από την σχέση ΔΗv= ΔU + PΔV
Προφανώς, κατά την δημιουργία χημικών δεσμών, εκτός από την μεταβολή στο σύνολο της εσωτερικής τους ενέργειας, η θέση των ατόμων μεταξύ τους μεταβάλλεται όπως και ο συνολικός όγκος που καταλαμβάνουν μεμονωμένα και αφού σχηματίσουν δεσμό. Υπάρχει δηλαδή ΔV και ο δεύτερος όρος της ενθαλπίας PΔV είναι προφανώς διάφορος από το μηδεν. Για αντίστοιχους λόγους έχουμε μεταβολή όχι μόνο στην Εσωτερική Ενέργεια αλλά και στην Ενθαλπία στην Ενθαλπία κατά τη δημιουργία ιοντικού πλέγματος
Ο ΧΗΜΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ ΚΑΙ Η ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΕΣΩΤΕΡIΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ
Στην προσπάθειά τους τα άτομα να αποκτήσουν δομή ευγενών αερίων που αποτελούν την σταθερότερη ενεργειακά κατάσταση, δημιουργούν τους χημικούς δεσμούς. Η διαδικασία αυτή που οδηγεί σε σώματα διαφορετικά από τα αρχικά, είτε μόρια -για τον ομοιοπολικό δεσμό- ή ιοντικές ουσίες - κρυστάλλους , για τον ετεροπολικό δεσμό, συνοδεύεται συνήθως από απελευθέρωση ενέργειας,
Αυτό σημαίνει ότι η συνολική Εσωτερική Ενέργεια των συστατικών που θα σχηματίσουν στην συνέχεια έναν Χημικό Δεσμό, διαφέρει από την Εσωτερική Ενέργεια μετά από τον σχηματισμό αυτού του δεσμού
Όταν άτομα, ιόντα, ηλεκτρόνια, ρίζες, αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους μπορεί, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι δυνατόν να να σχηματιστούν χημικοί δεσμοί : Ομοιοπολικός, ετεροπολικός, μελαλλικός, Wan der Waals διαφόρων τύπων).
Για να γίνει ένας χημικός δεσμός παίρνούν μέρος τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας των ατόμων (εξωτερικός φλοιός) και τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών επιπέδων δεν επιρρεάζονται.
Ένα ή περισσότερα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια από καθένα από τα άτομα σχηματίζουν κοινά ζευγάρια ηλεκτρονίων ώστε τα δυο άτομα κρατούνται πια σε μια συγκεκριμένη απόσταση που είναι το μήκος του δεσμού
¨οπως είπαμε, οι δεσμοί αυτοί συνήθως συνοδεύονται και με μεταβολή στην συνολική Εσωτερική Ενέργεια των συμμετεχόντων και αυτό εξαρτάται από τις εξωτερικές συνθήκες.
Εάν η σύνδεση ατόμων, ιόντων κ.λ.π. δώσει ένα Χημικό Δεσμό (μόριο, πλέγμα κ.λ.π.) με πολύ χαμηλότερη Εσωτερική Ενέργεια, τότε ο δεσμός αυτός ευνοείται σε Εξωτερικές συνθήκες χαμηλής ενέργειας και το αντίστροφο. Χημικοί δεσμοί με υψηλή σχετικά εσωτερική ενέργεια συμβαίνουν ευκολότερα σε Εξωτερικές συνθήκες υψηλής Ενέργειας.
Η Μεταβολή της Ενέργειας κατά την πρόσληψη ηλεκτρονίων σε άτομα και την μετατροπή τους σε αρνητικά ιόντα είναι αντίθετη αυτής που απαιτείται/ ελευθερώνεται όταν τα ιόντα αυτά αποβάλλουν τα επιπλέον ηλεκτρόνια και μεταβάλλονται σε ουδέτερα άτομα.
ΑΠΟ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΕΤΑΙ Η ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΥ και ΙΟΝΤΙΚΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΔΕΣΜΟΥ
Κατ' αρχήν η δημιουγία χημικού δεσμού ξεκινά από την αλληλεπίδραση ατόμων μεταξύ τους. Όταν τα άτομα είναι σε μεγάλη απόσταση αυτή η αλληλεπίδραση είναι αμελητέα ενώ όσο πλησιάζουν μεταξύ τους αρχίζει μια ασθενής αλληλεπίδραση που συνίσταται σε δυο ανταγωνιστικές μεταξύ τους δυνάμεις: Αφ' ενός οι ελκτικές δυνάμεις του κάθε πυρήνα των ατόμων με τα ηλεκτρόνια του άλλου ατόμου και αφ ετέρου η αμοιβαία απώθηση μεταξύ των ομοφόρτιστων πυρήνων και των ηλεκτρονίων μεταξύ τους.
Σε μια ορισμένη απόσταση, οι δυο αντίθετες τάσεις εξισώνονται και στην απόσταση αυτή ro παρατηρείται το Ελάχιστο της Δυναμικής Ενέργειας του σχηματιζόμενου Συστήματος των δύο Ατόμων Εi και εκεί σχηματίζεται ο ομοιοπολικός δεσμός
Όσο πιο δυνατός είναι ο δεσμός αυτός, τόσο περισσότερη ενέργεια απαιτείται για να σπάσει, δηλαδή τα άτομα να απομακρυνθουν σε απόσταση μεγαλύτερη από το μήκος του δεσμού και τέτοια ώστε να μην μπορεί να ξαναγίνει. Η ενέργεια διάσπασης δεσμού είναι και το μέτρο της δύναμής του.
ΙΟΝΤΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ
Σε περίπτωση μεγάλης διαφοράς στην Ενέργεια Ιονισμού και την Ηλεκτρασυγγένεια, όπως μεταξύ μετάλλου και αμετάλλου, τα ηλεκτρόνια του κοινού ζεύγους, μεταφέρονται στο ένα από τα δύο άτομα που μετατρέπεται σε αρνητικό ιόν.
Αυτή η ανακατανομή των φορτίων που οδηγεί σε θετικά και αρνητικά φορτισμένα άτομα (ιόντα) οδηγεί σε έναν δεύτερο τύπο δεσμού , μια άλλου τύπου αλληλεπίδρασης, τον ιοντικό δεσμό,
Η δημιουργία του ιόντος συνοδεύεται συνήθως από απελευθέρωση ενέργειας.
Ο δεσμός αυτός συμβαίνει λόγω της ηλεκτροστατικής έλξης μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων. Το μέγεθός του είναι ανάλογο με τα φορτία και αντίστρο με το τετράγωνο της απόστασης . Τα ιόντα που δημιουργούνται πολλές φορές τοποθετούνται στον χώρο και δημιουργούν ένα ιοντικό πλέγμα στον χώρο με μεγάλο ενεργειακό όφελος. Η ενέργεια που ελευθερώνεται με την δημιουργία του πλέγματος, ονομάζεται ενέργεια πλέγματος ΔcU και δείχνει την ενέργεια που χρειάζεται για να μετακινηθούν τα συστατικά του πλέγματος σε απειρη μεταξύ τους απόσταση
Εάν η μεταβολή κατά την πρόσληψη ηλεκτρονίου/ων
είναι θετική δηλαδή ελευθερώνεται ενέργεια, δηλαδή η πρόσληψη ηλεκτρονίου/ων είναι εξώθερμο φαινόμενο τότε γίνεται εύκολα και αυθόρμητα. παράδειγμα η ομάδα των αλογόνων
Αν απαιτείται ενέργεια για την πρόσληψη ηλεκτρονίων τότε έχουμε ενδόθερμη αντίδραση όπως για παράδειγμα τα ευγενή αέρια
Μεταβολή ατόμων σε ιόντα
| Στοιχείο | ε | Στοιχείο | ε | Στοιχείο | ε |
|---|---|---|---|---|---|
| H | 0,754 | Να | 0,548 | K | 0,502 |
| He | -0,54 | Mg | -0,4 | Cα | -0,3 |
| Li | 0,618 | Αλ | 0,441 | Sc | 0,14 |
| Be | -0,5 | Σι | 1,385 | Τι | -0,40 |
| B | 0,277 | P | 0,747 | V | -0,94 |
| C | 1,263 | S | 2,077 | Cr | -0,98 |
| N | -0,07 | Cl | 3,617 | Μn | 1,07 |
| O | 1,461 | ΜΒ | 3,365 | Fe | -0,58 |
| F | 3,399 | Εγώ | 3,06 | Co | -0,94 |
| Νa | -1,2(2) | Νι | -1,28 | ||
| Cu | -1,80 |
Ο ΧΗΜΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ ΚΑΙ Η ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΕΝΘΑΛΠΙΑ
Πριν ξεκινήσουμε θα αναφέρουμε και τα διαφορετικά είδη Ενθαλπίας που ορίζονται και από τα οποία αντιλαμβανόμαστε την διαφορετικότητα στην Ενθαλπία σε κάθε επί μέρους κατάσταση των σωμάτων ενος Χημικού συστήματος
Η Τυπική Ενθαλπία Χημικού Δεσμού ή Ενέργεια Σχηματισμού ενός Χημικού Δεσμού είναι η ενθαλπία που χαρακτηρίζει τις ενέργειες του Χημικού Δεσμού αυτού, εάν θεωρήσουμε ότι ο δεσμός προέρχεται από τα στοιχεία στην σταθερή τους κατάσταση
Η Ομολυτική Ενθαλπία Χημικού Δεσμού ή Ομολυτική ενέργεια Σύνδεσης Χημικού Δεσμού που προέρχεται από αντιδράσεις από στοιχεία στη ριζική τους μορφή
Η Ετερολυτική Ενθαλπία Χημικού Δεσμού ή Ετερολυτική ενέργεια Σύνδεσης για σχηματισμό Χημικού Δεσμού που προέρχεται από αντιδράσεις από στοιχεία στη ιοντική τους μορφή
Ακόμα υπάρχει Ενθαλπία ή Ενέργεια Σύνδεσης ηλεκτρονίου στον πυρήνα, από όπου μπορούμε να κάνουμε διάφορους υπολογισμούς για την Ενθαλπία των σωμάτωνπριν και μετά τον σχηματισμό ενός Χημικού Δεσμού
Η ισχύς του δεσμού που έχει προκύψει εξαρτάται από την εργασία που απαιτείται για την καταστροφή των μορίων που αποτελούν 1 γραμμομόριο της ελεγχόμενης ουσίας. Αυτή η φυσική ποσότητα είναι γνωστή ως δεσμευτική ενέργεια. Για τις ιοντικές ενώσεις, οι τιμές του κυμαίνονται από μερικές δεκάδες έως εκατοντάδες kJ / mol. - Читайте подробнее на SYL.ru: https://www.syl.ru/article/141636/mod_ionnaya-svyaz-sposob-obrazovaniya-i-svoystva
Δήμητρα Σπανου
ΠΗΓΕΣ
Εσωτερική ενέργεια - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
https://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/r3_2_1.htm
https://www.chem.msu.su/rus/teaching/urusov/part2.pdf
Ιωνικός δεσμός - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
Δεσμευτική ενέργεια (χημεία) - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
Читайте подробнее на SYL.ru: https://www.syl.ru/article/141636/mod_ionnaya-svyaz-sposob-obrazovaniya-i-svoystva