Kötéshossz és kötési energia

Egy tiszta hidrogénből álló mintában igen valószínű, hogy a hidrogénatomok nem csak egyszerűen egyesével röpködnek, hanem sok közülük, igazából szinte mindegyik, egymással kötést létesítve fordul elő, kétatomos hidrogén formájában, amit a H₂ képlet is kifejez. Másképp így is írhatjuk: a kétatomos hidrogénben a hidrogének egymáshoz kötődnek, és így alkotnak kétatomos molekulát. Ez a molekula kizárólag hidrogénből áll, de két hidrogénatomból. Azért lesz így stabil, mert semleges állapotban minden egyes hidrogénatomnak egy vegyértékelektronja van. Itt van egy hidrogén. Itt egy másik. Ha meg tudják osztani egymással a vegyértékelektronokat, mindkettő úgy „érezheti”, hogy telített a külső héja. Ezt a kötőjelet tehát értelmezhetjük úgy, mint a kovalens kötésben megosztott elektronpárt. Ebben a videóban az atomok közti távolságokat fogunk vizsgálni. Példaként képzelj el két hidrogénatomot, valahogy így! Standard hőmérsékleten és nyomáson az atomok tömegközéppontjai közti távolság, ez a távolság, amelyet itt láthatunk, körülbelül 74 pikométer. Emlékeztetőül, hogy milyen kicsi is a pikométer: egy pikométer a méter egybilliomod része. Ez tehát 74 billiomod méter, tehát nagyon kis távolságról van szó. Az érdekes kérdés az, hogy miért pont ekkora ez a távolság. Mi történne, ha közelebb nyomnánk őket egymáshoz? Mi történne, ha megpróbálnánk őket széthúzni? Ahhoz, hogy ezt átgondoljuk, készítek egy kis grafikont, ami a potenciális energiát mutatja a távolság függvényében. A függőleges tengely lesz a potenciális energia. Mértékegységet még nem írok rá. Egyelőre csak általános fogalmakban gondolkodunk, az egységekkel majd később foglalkozunk. Ez pedig itt az atomok tömegközéppontjanak a távolsága. Tekinthetjük úgy is, mint az atommagok távolságát. Legyen ez pikométerben. A potenciális energia mindig valamihez viszonyítva értendő. Legyen a 74 pikométernél mért potenciális energia mondjuk itt. Egyelőre nem is skálázom ezt a tengelyt. Mi fog történni a potenciális energiával, ha a két atomot széthúzzuk? Egyensúlyban ilyen távolságban vannak. Ez feltehetően egy minimum a potenciális energiában. Így ha növeljük a távolságot, energiát kell befektetni, ami a potenciális energiát növeli. Ennek értelmezéséhez képzelj el egy rugót! Ha ki akarjuk nyújtani, pl. ha meghúzzuk a két végén, energiát fektetünk be, ami növeli a potenciális energiát. Ugyanis ha elengedjük, vissza fog rugózni, a végei egymás felé fognak gyorsulni. Ha széthúzzuk, potenciális energiát közlünk vele. Ahogy a magok közt egyre növeljük a távolságot, a potenciális energia hasonlóképpen nő. Ha igazán messzire távolodnak egymástól, aszimptotikusan tart egy állandó érték felé. Ez lesz a potenciális energia akkor, amikor a két atom között már egyáltalán nincs kötés, amikor semmi sem köti őket egymáshoz, nincs közöttük kölcsönhatás. Ez az a pont, amit a legtöbb vegyész, fizikus, tudós nulla potenciális energiának tekint, az az energia, amelynél „végtelen” messze vannak egymástól. Efelé tart aszimptotikusan, ezért berajzolom ezt a vonalat. Ezt legyen ezentúl a nulla potenciális energia! Most megadom az egységet. Legyen ez mondjuk kJ/mol. Még egyszer: ha széthúzzuk őket, ahogy egyre messzebb kerülnek egymástól, egyre közelebb jutunk ahhoz, amikor a két atom között nincs kölcsönhatás. Miért? Mert minél messzebb kerülnek egymástól, annál kisebb lesz köztük a Coulomb-erő. Ezért célszerű ezt nulla potenciális energiának tekinteni. Nézzük most az ellenkező irányt! Mi történik, ha összenyomjuk őket? Ha megint egy rugóra gondolsz, ahogy a széthúzáshoz energiát kell neki adni, meg kell növelni a rugó potenciális energiáját, a rugó összenyomásához is ugyanerre van szükség. Szóval ha a két atomot közelebb akarjuk kényszeríteni egymáshoz, energiát kell közölnünk velük, növelnünk kell a potenciális energiájukat. Miért kell energiát adni? Mert minél inkább összepréseljük a két atomot, az atommagok pozitív töltése egyre jobban taszítja egymást, amit le kell győznünk. Ezzel potenciális energiát adunk a rendszernek. Ráadásul az elektronok is egyre inkább átfedik egymást, ezért egyre jobban taszítani is fogják egymást. Amint azt egyelőre csak vázlatosan rajzoltuk ide, ha azt akarjuk, hogy igazán átfedésbe kerüljenek egymással, ahhoz elég nagy potenciális energia kell. Ha pedig nagyon el akarjuk őket egymástól távolítani, ahhoz nem kell ennyire nagy energia, de ez is nagyobb lesz, mint itt, az egyensúlyi helyzetnél. Az egyensúlyi helyzet azért stabil, mert itt van a potenciálisenergia-görbének a legmélyebb pontja, a minimuma. Erről a minimumról a kétatomos hidrogénnél azt is tudjuk, hogy a különbség a nulla és e között standard hőmérsékleten és nyomáson itt éppen 432 kJ/mol. Ez a pont tehát -432 kJ/mol energiánál található. Amit ez a diagram ugyancsak elárul a molekuláról, az az, hogy mekkora energia kell a két atom szétválasztásához, azaz a kötés felszakításához. Ez kell az atomoknak végtelen távolságra széthúzásához. Azaz ez az energia. Ez az energia itt, ami 432 kJ/mol. Ezt nevezzük kötési energiának, az atomok szétválasztásához szükséges energiának. Későbbi videókban majd látjuk, hogy minél kisebbek az egyes atomok, és minél nagyobb a kötés rendje, azaz az egyes kötéstől a kettős és hármas irányában, annál nagyobb lesz a kötési energia.