Unter Bindungsenergie versteht man in der Chemie die Energiemenge, die erforderlich ist, um eine chemische Bindung zwischen zwei Atomen in einem Molekül aufzubrechen. Diese Energie ist ein Maß für die Stärke der Bindung und variiert je nach Bindungsart und beteiligten Atomen.
Diese Art von Energie ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Stabilität von Molekülen und Atomkernen bestimmt, die chemische Reaktivität beeinflusst und für Kernprozesse wie Spaltung und Fusion von entscheidender Bedeutung ist.
Grundkonzepte und Linktypen
Atome verbinden sich zu Molekülen durch chemische Bindungen, die kovalent, ionisch oder metallisch sein können. Die Bindungsenergie wird normalerweise in Kilojoule pro Mol (kJ/mol) ausgedrückt und gibt die Energie an, die erforderlich ist, um ein Mol Bindungen eines bestimmten Typs in einer Substanz aufzubrechen.
- Kovalente Bindungen : In diesen Bindungen teilen sich Atome Elektronen. Die Bindungsenergie in kovalenten Bindungen variiert stark in Abhängigkeit von den beteiligten Atomen und der Anzahl der gemeinsamen Elektronenpaare. Beispielsweise ist die Bindungsenergie einer Einfachbindung (wie der HH-Bindung in molekularem Wasserstoff) niedriger als die einer Doppelbindung (wie in molekularem Sauerstoff) oder einer Dreifachbindung (wie in molekularem Stickstoff).
- Ionenbindungen : Werden gebildet, wenn ein Atom ein Elektron an ein anderes abgibt, wodurch Ionen mit entgegengesetzter Ladung entstehen, die sich gegenseitig anziehen. Die Bindungsenergie in ionischen Verbindungen hängt von der Größe der Ladungen auf den Ionen und dem Abstand zwischen ihnen ab. Ionenbindungen sind aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen tendenziell sehr stark.
- Metallische Bindungen : Bei metallischen Bindungen teilen sich Atome ein „Meer“ von Elektronen, die sich frei zwischen ihnen bewegen können. Die Bindungsenergie in Metallen variiert je nach Struktur und Art des Metalls, ist jedoch aufgrund des starken Zusammenhalts zwischen Metallatomen im Allgemeinen beträchtlich.
Endotherme und exotherme Reaktionen
Bei einer chemischen Reaktion werden Bindungen in den Reaktanten aufgebrochen und in den Produkten neue Bindungen gebildet.
Die zum Aufbrechen der Bindungen in den Reaktanten erforderliche Energie und die beim Knüpfen der Bindungen in den Produkten freigesetzte Energie bestimmen, ob eine Reaktion exotherm (Energie freisetzt) oder endotherm (Energie absorbiert) ist.
Beispiel: Verbrennungsreaktion
Betrachten Sie die Verbrennung von Methan (CH₄) mit Sauerstoff (O₂) unter Bildung von Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O).
Für diese Reaktion müssen zunächst die CH-Bindungen im Methan und die O=O-Bindungen im Sauerstoff aufgebrochen werden. Dann werden neue C=O-Bindungen in Kohlendioxid und OH-Bindungen in Wasser gebildet.
Die Differenz zwischen der Energie, die zum Aufbrechen der ursprünglichen Bindungen benötigt wird, und der Energie, die bei der Bildung neuer Bindungen freigesetzt wird, bestimmt die Gesamtenergie der Reaktion.
CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O
Bindungsenergie kann dabei helfen, die Stabilität von Molekülen vorherzusagen. Moleküle mit starken Bindungen (hohe Bindungsenergie) sind im Allgemeinen stabiler und weniger reaktiv als solche mit schwachen Bindungen (niedrige Bindungsenergie).
Kernbindungsenergie
Die Bindungsenergie steht in direktem Zusammenhang mit der Kernenergie durch die Kraft, die die Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern zusammenhält. Diese als Kernbindungsenergie bezeichnete Energie ist aufgrund der starken Kernkraft deutlich größer als die chemische Bindungsenergie.
Bei Kernprozessen wie Spaltung und Fusion ist die Energiefreisetzung auf den Unterschied in der Bindungsenergie vor und nach der Reaktion zurückzuführen.
Bei der Spaltung spaltet sich ein schwerer Kern in leichtere Kerne auf, wobei Energie freigesetzt wird, da die Produkte eine höhere Bindungsenergie pro Nukleon haben. Im Gegensatz dazu verbinden sich bei der Fusion leichte Kerne zu einem schwereren Kern und setzen dabei aus einem ähnlichen Grund Energie frei.
Faktoren, die die Bindungsenergie beeinflussen
Mehrere Faktoren beeinflussen die Bindungsenergie:
- Größe der Atome : Kleinere Atome neigen dazu, stärkere Bindungen einzugehen, da ihre Kerne näher an den gemeinsamen Elektronen liegen.
- Ladung und Elektronegativität : Atome mit hoher Elektronegativität neigen dazu, stärkere Bindungen einzugehen, weil sie gemeinsame Elektronen stärker anziehen. Auch der Unterschied in der Elektronegativität zwischen Atomen kann die Bindungsenergie beeinflussen.
- Bindungsordnung : Wie bereits erwähnt, sind Mehrfachbindungen (Doppel-, Dreifachbindungen) stärker als Einfachbindungen, da es mehr gemeinsame Elektronenpaare gibt.
Messung
Die Bindungsenergie kann experimentell mithilfe von Techniken wie Spektroskopie und Kalorimetrie gemessen werden.
Bei der Spektroskopie wird die Absorption oder Emission von Licht durch ein Molekül analysiert, um die Energie zu bestimmen, die zum Aufbrechen von Bindungen erforderlich ist. Bei der Kalorimetrie hingegen wird die bei einer chemischen Reaktion freigesetzte oder aufgenommene Wärme gemessen.