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결합 에너지

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1. 개요

결합 에너지는 특정 분자 내에서 동일한 유형의 모든 결합에 대한 결합 해리 에너지의 평균값이다. 물 분자의 결합 에너지를 예로 들어 설명하며, 원자 반지름을 비교하여 결합 세기를 예측하는 방법과 이온 결합에서 전기 음성도가 미치는 영향, 격자 에너지와의 관계를 설명한다.

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결합 에너지
개요
이름결합 에너지
정의분자 내에서 특정 화학 결합을 끊어 자유 원자로 만드는 데 필요한 에너지의 양
관련 개념결합 해리 에너지
결합 엔탈피
설명
측정 단위주로 kJ/mol (킬로줄/몰) 또는 kcal/mol (킬로칼로리/몰) 사용
특징결합 에너지는 항상 양수 값
결합이 강할수록 결합 에너지 값이 큼
평균 결합 에너지 값은 분자 내 특정 결합의 평균적인 강도를 나타냄
계산 방법반응열 (엔탈피 변화)을 이용하여 계산 가능
활용화학 반응의 에너지 변화 예측, 분자 구조 안정성 평가 등에 활용
결합 에너지와 결합 엔탈피
차이점결합 에너지는 0 K에서의 에너지 변화를 의미하며, 결합 엔탈피는 표준 상태 (298 K, 1기압)에서의 엔탈피 변화를 의미
실제 화학 반응에서는 결합 엔탈피가 더 유용하게 사용됨
추가 정보
참고 문헌Christian, Jerry D. (1973). "Strength of Chemical Bonds". Journal of Chemical Education. 50 (3): 176. doi:10.1021/ed050p176. ISSN 0021-9584.
Treptow, Richard S. (1995). "Bond Energies and Enthalpies: An Often Neglected Difference". Journal of Chemical Education. 72 (6): 497. doi:10.1021/ed072p497.
Haynes, William M., ed. (2016–2017). CRC Handbook of Chemistry and Physics (97th ed.). CRC Press. ISBN 978-1498754286.
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2. 결합 에너지와 결합 해리 에너지

결합 에너지(''BE'')는 주어진 분자 내에서 단일 유형의 결합에 대한 모든 결합 해리 에너지의 평균값이다.[7] 동일한 유형의 여러 다른 결합의 결합 해리 에너지는 단일 분자 내에서도 다를 수 있다.

2. 1. 물 분자의 결합 에너지

물 분자는 H–O–H로 결합된 두 개의 O–H 결합으로 구성된다. H₂O의 결합 에너지는 두 개의 O–H 결합 각각을 순차적으로 끊는 데 필요한 평균 에너지이다.

물 분자의 결합 에너지 (kJ/mol)


두 결합이 원래의 대칭 분자에서 동일하지만, 산소–수소 결합의 결합 해리 에너지는 산소 원자에 다른 수소 원자가 결합되어 있는지 여부에 따라 약간 다르다. 따라서 물 분자의 결합 에너지는 461.5kJ/mol(110.3kcal/mol)이다.[8]

2. 2. 균일 분해

결합이 끊어지면 결합 전자쌍은 생성물에 균등하게 분리된다. 이 과정을 균일 분해(균일 분해; 균일 분열)라고 하며 라디칼 형성을 초래한다.[9]

3. 원자 반지름을 이용한 결합 세기 예측

결합의 세기는 결합을 형성하는 원자의 원자 반지름과 결합 길이의 비교를 통해 예측할 수 있다.

예를 들어 붕소의 원자 반지름(85pm)과 B₂Cl₄의 B-B 결합 길이(175 pm) 비율은 1.03이다.[10][11] 이 값은 1보다 약간 커서 B-B 결합은 약한 단일 결합으로 볼 수 있다. 반면 레늄의 원자 반지름(135 pm)과 [Re₂Cl₈]²⁻ 화합물 내 Re-Re 결합 길이(224 pm) 비율은 0.83으로,[10] 1보다 현저히 작아 Re-Re 결합은 매우 강한 결합임을 알 수 있다. 실제로 [Re₂Cl₈]²⁻의 Re-Re 결합은 사중 결합으로 확인되었다.[12] 이러한 결합 세기 예측 방법은 공유 결합 화합물에 유용하다.[13]

3. 1. 붕소-붕소 결합 (B-B)

붕소의 원자 반지름은 약 85 pm이며,[10] B₂Cl₄에서 B-B 결합 길이는 175 pm이다.[11] 결합 길이를 각 붕소 원자 반지름의 합으로 나누면 1.03으로, 1보다 약간 크다. 이는 B-B 결합이 상대적으로 약한 단일 결합임을 시사한다.

3. 2. 레늄-레늄 결합 (Re-Re)

레늄의 원자 반지름은 135 pm이며,[10] [Re₂Cl₈]²⁻ 화합물에서 Re-Re 결합 길이는 224 pm이다. 결합 길이를 각 레늄 원자 반지름의 합으로 나누면 다음과 같다.

:\frac{224 \ \text{pm}}{135 \ \text{pm} + 135 \ \text{pm}} = \frac{224 \ \text{pm}}{270 \ \text{pm}} \approx \ 0.83

이 비율은 1보다 현저히 낮아서, 두 레늄 원자의 원자가 전자 구름 사이에 많은 양의 겹침이 있다는 것을 나타낸다. 따라서, Re-Re 결합은 매우 강한 결합이라고 결론 내릴 수 있다. 실험적으로, [Re₂Cl₈]²⁻의 Re-Re 결합은 사중 결합으로 밝혀졌다.[12]

3. 3. 결합 세기 예측 방법의 유용성

결합의 세기는 결합을 형성하는 원자의 원자 반지름을 결합 자체의 길이와 비교하여 추정할 수 있다. 이러한 예측 방법은 공유 결합 화합물에 가장 유용하다.[13]

예를 들어, 붕소의 원자 반지름은 85 pm로 추정되며,[10] B₂Cl₄의 B-B 결합 길이는 175 pm이다.[11] 이 결합의 길이를 각 붕소 원자 반지름의 합으로 나누면 1.03의 비율을 얻을 수 있다. 이 비율은 1보다 약간 커서, 결합 자체가 두 붕소 원자의 원자가 전자 구름 사이의 예상 최소 겹침보다 약간 더 길다는 것을 나타내며, 따라서 이 결합이 상당히 약한 단일 결합이라고 결론 내릴 수 있다.

다른 예로, 레늄의 원자 반지름은 135 pm이며,[10] [Re₂Cl₈]⁻² 화합물에서 Re-Re 결합 길이는 224 pm이다. 위와 동일한 단계를 거치면 0.83의 비율을 얻을 수 있다. 이 비율은 1보다 현저히 낮아서, 두 레늄 원자의 원자가 전자 구름 사이에 많은 양의 겹침이 있다는 것을 나타낸다. 이 데이터를 통해, 우리는 이것이 매우 강한 결합이라고 결론 내릴 수 있다. 실험적으로, [Re₂Cl₈]⁻²의 Re-Re 결합은 사중 결합으로 밝혀졌다.[12]

4. 이온 결합 에너지에 영향을 미치는 요인

이온 화합물에서 결합하는 두 원자의 전기 음성도 차이는 결합 에너지에 큰 영향을 미치며, 이는 격자 에너지로 설명된다.[14] 격자 에너지가 더 음의 값을 가질수록 이온 간의 인력이 강해지는데, 일반적으로 전기 음성도 차이가 클수록 이온 결합이 강해진다.[15][16]

4. 1. 전기 음성도와 격자 에너지

이온 화합물에서, 결합하는 두 원자의 전기 음성도는 결합 에너지에 큰 영향을 미친다.[14] 이러한 영향의 정도는 화합물의 격자 에너지로 설명되며, 더 음의 격자 에너지는 이온 간의 더 강한 인력에 해당한다. 일반적으로 전기 음성도의 차이가 클수록 이온 결합이 강해진다. 예를 들어, 염화 나트륨(NaCl) 화합물은 나트륨과 염소 사이의 전기 음성도 차이가 2.23으로 격자 에너지가 -786kJ/mol이다. 반면, 요오드화 나트륨(NaI) 화합물은 나트륨과 요오드 사이의 전기 음성도 차이가 1.73으로 더 낮아 격자 에너지가 -704kJ/mol로 낮다.[15][16]

4. 2. 염화 나트륨(NaCl)과 요오드화 나트륨(NaI)의 비교

이온 화합물에서 결합하는 두 원자의 전기 음성도는 결합 에너지에 큰 영향을 미친다.[14] 이러한 영향의 정도는 화합물의 격자 에너지로 설명되며, 더 음의 격자 에너지는 이온 간의 더 강한 인력에 해당한다. 일반적으로 전기 음성도의 차이가 클수록 이온 결합이 강해진다. 예를 들어 염화 나트륨(NaCl) 화합물은 나트륨과 염소 사이의 전기 음성도 차이가 2.23으로 격자 에너지가 -786 kJ/mol이다. 반면 요오드화 나트륨(NaI) 화합물은 나트륨과 요오드 사이의 전기 음성도 차이가 1.73으로 더 낮아 격자 에너지가 -704 kJ/mol로 낮다.[15][16]

참조

[1] 논문 Strength of Chemical Bonds 1973-03-01
[2] 문서 REDIRECT
[3] 논문 Bond Energies and Enthalpies: An Often Neglected Difference
[4] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition (CRC Handbook of Chemistry & Physics) 97th Edition CRC Press; 97 edition 2016–2017
[5] 문서 Luo, Yu-Ran and Jin-Pei Cheng "Bond Dissociation Energies". In Lide, David R. (ed) 2017, ''CRC Handbook of Chemistry and Physics'', 97th edition (2016–2017). Boca Raton: Taylor & Francis Group. 9-73.
[6] 문서 Bond energy (mean bond energy)
[7] 문서 Madhusha (2017), Difference Between Bond Energy and Bond Dissociation Energy, Pediaa https://pediaa.com/d[...]
[8] 서적 Lehninger principles of biochemistry W.H. Freeman 2005
[9] 웹사이트 Illustrated Glossary of Organic Chemistry - Homolytic cleavage (homolysis) http://www.chem.ucla[...] 2019-11-27
[10] 논문 Atomic Radii in Crystals https://pubs.aip.org[...] 1964-11-15
[11] 논문 Crystal and Molecular Structure of Diboron Tetrachloride, B2Cl4 https://doi.org/10.1[...] 1957-07-01
[12] 논문 Mononuclear and Polynuclear Chemistry of Rhenium (III): Its Pronounced Homophilicity https://www.science.[...] 1964-09-18
[13] 서적 Bonding and Structure: Structural Principles in Inorganic and Organic Chemistry Ellis Horwood 1990
[14] 서적 Handbook of Chemistry & Physics CRC Press 1984-06-27
[15] 서적 Shriver and Atkins' Inorganic Chemistry W. H. Freeman and Company
[16] 서적 Inorganic chemistry: principles of structure and reactivity Harper 2009
[17] 문서 Clark, J (2013), BOND ENTHALPY (BOND ENERGY), Chemguide https://www.chemguid[...]
[18] 논문 Strength of chemical bonds 1973-03-01
[19] 문서 넘겨주기
[20] 논문 Bond Energies and Enthalpies: An Often Neglected Difference
[21] 문서 Schmidt-Rohr, K. (2015). "Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2", ''J. Chem. Educ.'' '''92''': 2094-2099. http://dx.doi.org/10[...]
[22] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition (CRC Handbook of Chemistry & Physics) 97th Edition https://archive.org/[...] CRC Press; 97 edition 2016-2017



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