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键的形成和反应能

化学可能会令人困惑,因为通用术语能量被抛出了很多。你可能已经读过,甚至是在这些文章里,化学键的形成释放能量,直到后来才知道化学键必须用这些能量来形成。这是怎么回事?

这种混淆归结于键的形成/破坏的能量变化和整个反应的能量变化之间的差异。让我们看看两者的区别。

键的形成与破坏

化学键的形成只不过是两个不同原子之间的吸引力。那么为什么原子会相互吸引呢?答案和质子和电子有关。

原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子(氢除外)组成。环绕原子核的是一团带负电荷的电子云。原子的类型是由质子数决定的。例如,一个质子产生氢,两个氦,6个是碳,8个是氧。在大多数情况下,质子被电子平衡,所以原子整体上是中性的。所以氧也有8个电子。(这里我们不考虑同位素和离子)。

好的,到目前为止还不错。如果你看元素周期表,你会看到一个有趣的原子排列。这张表之所以有如此独特的形状是因为在同一列中的原子彼此行为相似。事实证明,类似的行为与电子构型有关。

元素周期表

电子有特定的行为方式,但为了简单明了,我们只考虑一种性质。电子围绕原子核形成轨道。这意味着电子并不在原子核周围的云中。相反,它们有特定的模式,称为轨道。事实证明,每一个轨道(称为轨道)可以容纳一定数量的电子。例如,第一个轨道可以容纳两个,第二个轨道可以容纳八个,第三个轨道可以容纳八个,以此类推。轨道的形状和构型变得非常复杂,但现在我们只需要知道,填充一个轨道会使原子稳定。所以,表格右边的最后一列代表了最稳定的原子。

每个原子都希望像最后一列中的原子一样,但有一个问题。如果一个原子放弃一个电子,那么它就变得不稳定,因为原子核的电荷与电子的电荷不平衡。这些高能原子(称为离子)不会停留太久。问题是,他们做了什么?

答案是它们和其他原子成对通过化学键共享电子。这样一来,所有参与成键的原子都能得到足够多的电子来填充它们的轨道,但因为它们是“共享的”,它们不会遇到离子所面临的电荷平衡问题。让我们来看一个例子:

一个氢原子只有一个电子,这意味着它离像氦一样稳定只有一个电子,氦有两个电子。氧有8个电子,需要10个才能像氖一样稳定。如果氧原子和两个氢原子“成键”,那么它就会有10个电子,因为它和每个氢原子共用一个电子。按照同样的方法,每个氢原子也能从氧原子中得到一个电子,从而达到稳定所需的两个电子。这种水的形式比氧和氢分开的形式更稳定。物体越稳定,能量就越低。所以,当氧和氢结合形成水时,能量被释放。这对所有的键都成立。

反应能量

我们知道成键会释放能量。那么,如果我们在燃烧碳氢化合物的过程中打破了化学键,并且不得不为此投入能量,那么为什么燃烧碳氢化合物会产生能量呢?这个问题的答案并不比把断裂的化学键总数和形成的化学键总数相加,并考虑到这些化学键的稳定性(稳定的化学键比不稳定的化学键能量更低)复杂。

在甲烷的反应中,我们有:碳=黑;氧=蓝色,氢=红色):

甲烷反应

注意一个甲烷分子(CH4)与一个氧分子(O2)生成二氧化碳(CO2)和2水(H2O)分子。方程式配平后,左边的原子数与右边的原子数相同。所以,左边有4个氢原子,右边有4个(2个水分子乘以2个水分子)。氧(每边4个)和碳(每边1个)也是如此。

上面方程中不同的是化学键。左边有8个键(甲烷有4个键,氧分子各有2个键)。右边有一个,总共也有8个(二氧化碳4个,氧气各2个)。所以,我们没有形成任何额外的键,但是我们形成了更稳定的键。有限公司2是我们所知道的最稳定的分子之一如果化学键不稳定我们就会有很多水分子。

为了打破甲烷和氧的化学键,我们需要注入一些能量。然而,因为我们得到了更稳定的分子(甲烷的不稳定性可以从它容易燃烧得到证明),我们得到了能量的净增益。这是反应能不同于键能,尽管它们是相关的。

结论

所以,当我们讨论反应和化学键中的能量时,请记住,能量总是趋向于更低的。如果一个键需要被打破,那么就必须添加一些能量。然而,如果最终产物比反应物有更多或更多稳定的键,那么就会有能量的净收益。