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化学键能指1.01*10^5Pa和25摄氏度下(常温常压下),将1mol理想气体分子AB拆开为中性气态原子A和B所需要的能量(单位为KJ·mol-1)键能越大,化学键越牢固,含有该键的分子越稳定。

概念

在自然界中能量的形式多种多样,如光能热能电能机械能化学能等。在生命体系中,只有化学能可以被直接作为用来做功的能源,而其他形式的能量则是起激发生物体做功的作用。例如,它们可以分别激发动物的平衡感觉、视觉、温觉痛觉和味觉等。提供给生物体做功的化学能,可以来自因水解等化学反应而造成生物分子化学键断裂产生的能量,也可以来自因离子浓度梯度变化而得到的能量。
对生物体来说,储藏在化学键中的能量是一种重要的自由能。所谓自由能,就是能够用来做功的能量。食物中的自由能有相当一部分是以热的形式散发出去,这些热不能再被用来做功。不管怎么说,所有形式的能量最终都要转化为热能,因此能量的测度通常采用热的单位,如千焦(kJ)、千卡(kcal)。生物分子中化学键能的大小与许多因素有关,其中主要的因素是被键连接在一起的原子间电负性差异(如表)。具有较小键能的键容易被破坏,即这种键本身较弱、较不稳定。在每一生物化学反应中都以ΔG0’表示特定的标准自由能变化,“+”号表示能量并未丧失而是储藏在产物中,“-”号表示能量从反应系统中释放出来。
键能是表征化学键强度的物理量,可以用键断裂时所需的能量大小来衡量。在101.3kPa和298K下,将1mol气态分子AB断裂成理想气态原子所吸收的能量叫做AB的离解能(KJ·mol -1),常用符号D(A-B)表示。即:AB(g)─→A(g)+ B(g)
多原子分子中断裂气态分子中的某一个键所需的能量叫做分子中这个键的离解能。例如:
NH3(g)= NH2(g)+ H(g) D 1 = 435kJ·mol -1
NH2(g)= NH(g)+ H(g) D 2= 397kJ·mol -1
NH(g)= N(g)+ H(g) D 3= 339kJ·mol -1
NH3分子中虽然有三个等价的N-H键,但先后拆开它们所需的能量是不同的。所谓键能(Bond Energy)通常是指在 101.3KPa和298K下将1mol气态分子拆开成气态原子时,每个键所需能量的平均值,键能用E表示。显然对双原子分子来说,键能等于离解能,例如,298.15K时,H的键能E(H-H)=D(H-H)=436kJ·mol -1;而对于多原子分子来说,键能和离解能是不同的。例如NH分子中N-H键的键能应是三个N-H键离解能的平均值:
E(N-H)=(D 1+D 2+D 3)/3=1171/3=391kJ·mol -1
键能通常通过热化学方法或光谱化学实验测定离解能得到,我们常用键能表示某种键的强弱。
(注:键能大小并不能被用于表示物质能量多少,而只表示物质与达到活泼态时自由能之差)
由键能求焓变公式:ΔH=反应物的总键能-生成物的总键能
键能与物质本身的关系:键能越大,本身能量就越低,键能越小,本身能量越高。做为反应物的物质,在反应过程中需要吸热,产生上述原因是因为:能量低,本身结构稳定,需要吸收更多的热量,键能大。能量高,本身结构不稳定,需要吸收的热量低,键能小。
键能化学键形成时放出的能量或化学键断裂时吸收的能量,可用来标志化学键的强度。它的数值是这样确定的:对于能够用定域键结构满意地描述的分子,所有各键的键能之和等于这一分子的原子化能。键能是从定域键的相对独立性中抽象出来的一个概念,它的定义中隐含着不同分子中同一类型化学键的键能相同的假定。实验证明,这个假定在一定范围内近似成立。例如,假定C─C和C─H键的键能分别是346和411千焦/摩,则算出来的饱和烃的原子化能只有2%的偏差。
通常给出的键能数值实际上是键焓而非键能,而且常常是298K时的值而不是0K时的值。但是这种差别不大,一般不必加以区别。
  常用的另一个量度化学键强度的物理量是键离解能,它是使指定的一个化学键断裂时需要的能量。由于产物的几何构型和电子状态在逐步改变时伴随有能量变化,除双原子分子外,键离解能不同于键能。例如,依次断开 CH 4的四个 C─H键的键离解能分别是425、470、415、335千焦/摩,它们的平均值才等于C─H键的键能(411千焦/摩)。

化学键的键长与键能

常见化学键的键长与键能
化 学 键
键 长
/(10-12m)
键 能
/ (kJ/mol)
化 学 键
键 长
/(10-12m)
键 能
/ (kJ/mol)
B—F
-
644
N—H
101
391
B—O
-
515
N—N
145
159
Br—Br
229
193
N═N
125
456
C—B
156
393
N≡N
110
946
C—Br
194
276
N—O
146
230
C—C
154
332
N═O
114
607
C═C
134
611
Na—Br
250
367
C≡C
120
837
Na—Cl
236
412
C—Cl
177
328
Na—F
193
519
C—F
138
485
Na—H
189
186
C—H
109
414
Na—I
271
304
C—I
214
240
O—H
98
463
C—N
148
305
O—O
148
146
C═N
135
615
O═O
120
496
C≡N
116
891
P—Br
220
272
C—O
143
326
P—Cl
203
331
C═O
120
728
P—H
142
322
C═O(CO2)
-
803
P—O
163
410
C—P
187
305
P═O
138
585
C—S
182
272
P—P
-
213
C═S
156
536
Pb—O
192
382
C═S(CS2)
-
577
Pb—S
239
346
C—Si
186
347
Rb—Br
294
381
Cl—Cl
199
243
Rb—Cl
279
428
Cs—I
337
337
Rb—F
227
494
F—F
140
153
Rb—I
318
319
H—H
75
436
S—H
135
339
H—Br
142
366
S—O
-
364
H—Cl
127
431
S═O
143
-
H—F
92
565
S—S
207
268
H—I
161
298
S═S
189
-
I—I
266
151
Se—H
147
314
K—Br
282
380
Se—Se
232
-
K—Cl
267
433
Se═Se
215
-
K—F
217
498
Si—Cl
-
360
K—I
305
325
Si—F
-
552
Li—Cl
202
469
Si—H
-
377
Li—H
239
238
Si—O
-
460
Li—I
238
345
Si—Si
-
176
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