Was bedeuten positive bindungsenergien

Q: Was ist die Bindungsenergie einfach erklärt?

In der Atomphysik bezeichnet man als Bindungsenergie die Energie, die beim Einfangen eines Elektrons in die Elektronenhülle freigesetzt wird. Die Bindungsenergie ist die Absenkung der Energie des Gesamtsystems und kommt durch die elektrische Anziehung zwischen Elektron und Atomkern zustande.

Q: Welche bindungsenergien gibt es?

Die chemische Bindungsenergie ist das Maß für die Stärke einer kovalenten Bindung. Die molare Bindungsenergie von Ionenkristallen wird unter Gitterenergie und Gitterenthalpie beschrieben. Bindungsenergien zwischen Atomen liegen bei Molekülen zwischen 200 und 700 kJ·mol−1 (2 bis 7 eV pro Bindung).

Q: Warum nimmt die Bindungsenergie bei sehr großen Kernen wieder ab?

Abb.). Leichtere Kerne haben relativ mehr Nukleonen an der Oberfläche, wo sie schwächer gebunden sind. Bei schwereren Kernen nimmt die Bindungsenergie je Nukleon dann wieder ab, denn je mehr Protonen vorhanden sind, desto stärker wächst die abstoßende Coulombkraft zwischen ihnen an.

Von der Atomhülle zum Atomkern

Das 1911 von dem britischen Physiker ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) vorgestellte und 1913 von dem dänischen Physiker NIELS BOHR (1885-1962) weiterentwickelte Atommodell war im Wesentlichen ein Modell für die Atomhülle, mit dem z.B. die Emission und Absorption von Licht erklärt werden konnten. Vom Atomkern war in dieser Zeit lediglich bekannt, dass in ihm weitgehend die Masse des Atoms konzentriert ist und er eine positive Ladung trägt. Genauere Vorstellungen über seine Struktur entwickelten sich erst ab den dreißiger Jahren des 20. Jahrhundert. 1932 wies J. CHADWICK (1891-1974) experimentell die von RUTHERFORD bereits 1921 vermutete Existenz eines elektrisch neutralen Kernteilchens, des Neutrons, nach. 1934 entdeckten FREDERICK JOLIOT-CURIE (1900-1958) und seine Frau IRENE (1897-1956) die künstliche Radioaktivität. ENRICO FERMI (1901-1954) beschoss verschiedene Elemente mit Neutronen und erzeugte damit erstmals ein Transuran. 1938/39 entdeckten OTTO HAHN, FRITZ STRASSMANN und LEISE MEITNER die Kernspaltung. Damit wurde auch die Frage immer drängender, wie der Atomkern strukturiert ist und mit welchen Modellen man die oben genannten Vorgänge beschreiben kann.
Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung des Tröpfchenmodells, das geeignet ist, Prozesse der Kernumwandlung zu verstehen.

Inhaltsverzeichnis Show

Von der Atomhülle zum Atomkern
Das Tröpfchenmodell
Was ist die Bindungsenergie einfach erklärt?
Welche bindungsenergien gibt es?
Warum nimmt die Bindungsenergie bei sehr großen Kernen wieder ab?
Wie hängen bindungslänge und Bindungsenergie zusammen?

Das Tröpfchenmodell

Aus theoretischen Überlegungen und experimentellen Untersuchungen war bekannt: Der Kernradius ist im Vergleich zum Atomradius außerordentlich klein. Der Atomkern ist positiv geladen. Seine Bestandteile, die Nukleonen, sind positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen, wobei die Masse beider Teilchen näherungsweise gleich groß ist. Kernmaterie hat eine sehr große und für alle Elemente etwa gleiche Dichte, da die Protonen und die Neutronen dicht gepackt sind. Darüber hinaus war bekannt, dass sich z.B. durch Beschuss mit Neutronen Kernumwandlungen vollziehen können und Kernmaterie sich wie ein inkompressibler Stoff verhält. In Analogie zu Wassertropfen, die man sich aus kleinsten Tröpfen zusammengesetzt denken kann und die auch inkompressibel sind, kann man den Atomkern als ein Gebilde beschreiben, das aus winzigen Teilchen zusammengesetzt ist, die dicht gepackt sind und sich ähnlich wie ein Wassertropfen verhalten. Daher rührt die Bezeichnung Tröpfchenmodell. Nach diesem Modell besteht der Atomkern aus dicht gepackten Protonen und Neutronen.

Mithilfe dieses Modells lassen sich einige Eigenschaften des Atomkerns gut beschreiben:

Aufgrund der Packungsdichte der Nukleonen (Protonen, Neutronen) wächst der Kernradius mit der Nukleonenzahl (Massenzahl) A, für die gilt:
A = N + Z
Dabei ist N die Anzahl der Neutronen im Atomkern (Neutronenzahl) und Z die Anzahl der Protonen (Protonenzahl). Diese Zahl ist somit gleich der Kernladungszahl und darüber hinaus gleich der Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente.
Für den Kernradius gilt näherungsweise die Beziehung:
r=1,3⋅10−15 m⋅A13
Im Bereich mittlerer Ordnungszahlen liegen die Massenzahlen bei etwa A = 100. Damit erhält man einen Kernradius von 6⋅10−15 m.

Die Dichte der Kernmaterie kann aus Masse und Volumen berechnet werden. So erhält man für einen beliebigen Atomkern mit der Massenzahl A:
ρ=mVρ=1,67⋅10−27 kg⋅A 43π(1,3⋅10−15 m)3⋅A≈1,8⋅1017 kg⋅m−3

Die Protonen im Atomkern stoßen sich aufgrund ihrer Ladung gegenseitig ab. Trotzdem ist der Atomkern in der Regel stabil. Ursache dafür ist eine Kraft zwischen den Nukleonen, die als Kernkraft bezeichnet wird und die folgende Besonderheiten aufweist: Die anziehende Kernkraft wirkt zwischen jeweils zwei Nukleonen, hat eine sehr geringe Reichweite von etwa 2 ⋅10−15 m und ist erheblich stärker als die coulombsche Kraft, die aufgrund der positiven Ladung zwischen den Protonen (coulombsche Kraft) wirkt.

Bindungsenergien und Enthalpie
Sich bildende chemische Bindungsatome werden stabiler und ihre Energien nehmen ab und diese Energie wird nach außen abgegeben. Beim Aufbrechen dieser Bindung wird die gleiche Energiemenge benötigt. Energie, die während der Bildung einer Molbindung freigesetzt wird und zum Aufbrechen einer Molbindung erforderlich ist, wird Bindungsenergie genannt. Sie sind in kcal / mol angegeben.

Beispielsweise beträgt die Bindungsenergie von H-H 104 kcal / mol. Dies bedeutet, dass zur Bildung einer molaren H-H-Bindung 104 kcal Energie freigesetzt werden oder zum Aufbrechen einer molaren H-H-Bindung 104 kcal Energie benötigt werden.

Beispiel:

1) 2H(g) → H2(g) ; ∆H=-104 kcal

H2(g) → 2H(g) ; ∆H=104 kcal

2) 2Cl(g) → Cl2(g) ; ∆H=-58 kcal

Cl2(g) → 2Cl(g) ; ∆H=58 kcal

Wie Sie aus den obigen Beispielen sehen können, ist die Bindung zwischen H-Atomen stärker als die Bindungen von Cl-Atomen. Somit ist das H2-Molekül stabiler als das Cl2-Molekül.

Chemische Reaktionen treten auf, indem Bindungen zwischen Materie gebrochen und neue Bindungen gebildet werden. Somit besteht ein Zusammenhang zwischen Bindungsenergien und Reaktionsenthalpie. Das Aufbrechen der Bindung der Reaktanten erfordert Energie, und diese Energie ist positiv. Es wird jedoch neue Bindungsenergie freigesetzt. Diese Energie ist negativ.

Wenn wir diese Energien zusammenfassen, finden wir Reaktionsenthalpie.

Reaktanten → Produkte; ∆H =?

∆H=∑(Bindungsenergien)Reaktanten-∑(Bindungsenergien)Produkte

Wobei ∑ die Summe der angegebenen Mengen anzeigt.

In einer Reaktion If;

(Summe der Bindungsenergien der Reaktanten)> (Summe der Bindungsenergien der Produkte) dann ist ∆H> 0, mit anderen Worten, die Reaktion endotherm. Ein Teil der Energie, die zum Aufbrechen von Reaktantenbindungen benötigt wird, wird aus der Energie gewonnen, die bei der Bildung von Produktbindungen freigesetzt wird, und ein Teil von außen.
(Summe der Bindungsenergien der Reaktanten) <(Summe der Bindungsenergien der Produkte) dann ist ∆H <0, mit anderen Worten, die Reaktion exotherm. Somit wird ein Teil der Energie, die durch die Bildung neuer Bindungen in Produkten freigesetzt wird, zum Aufbrechen der Bindung in den Reaktanten verwendet und ein Teil der Energie wird nach außen abgegeben.

Beispiel: Finden Sie die H-Br-Bindungsenergie mithilfe der folgenden Reaktionen;

2H(g) → H2(g) ; ∆H=-104 kcal

1/2Br2(g) → Br(g) ∆H= 23 kcal

H2(g) + Br2(g) → 2HBr(g) ; ∆H=-18 kcal

Lösung:

Wir finden die Bindungsenergie von H-H, indem wir die erste Reaktion umkehren;

H2 (g) → 2H (g); ∆H = 104 kcal (da die Reaktion umgekehrt ist; ∆H wird positiv)

Wir finden die Bindungsenergie von Br-Br durch Multiplikation der zweiten Reaktion mit 2;

Br2 (g) → 2Br (g): ∆H = 46 kcal

Lassen Sie mich sagen, die Bindungsenergie von H-Br X kcal / mol ergibt sich nach folgender Formel:

H2(g) + Br2(g) → 2HBr(g) ; ∆H=-18 kcal

∆H = (Summe der Bindungsenergien der Reaktanten) - (Summe der Bindungsenergien der Produkte)

-18 = (104 + 46) - 2X

X = 84 kcal / mol

Die Bindungsenergie von H-Br beträgt 84 kcal

Thermochemie Prüfungen und Problemlösungen

Was ist die Bindungsenergie einfach erklärt?

In der Atomphysik bezeichnet man als Bindungsenergie die Energie, die beim Einfangen eines Elektrons in die Elektronenhülle freigesetzt wird. Die Bindungsenergie ist die Absenkung der Energie des Gesamtsystems und kommt durch die elektrische Anziehung zwischen Elektron und Atomkern zustande.

Welche bindungsenergien gibt es?

Die chemische Bindungsenergie ist das Maß für die Stärke einer kovalenten Bindung. Die molare Bindungsenergie von Ionenkristallen wird unter Gitterenergie und Gitterenthalpie beschrieben. Bindungsenergien zwischen Atomen liegen bei Molekülen zwischen 200 und 700 kJ·mol⁻¹ (2 bis 7 eV pro Bindung).

Warum nimmt die Bindungsenergie bei sehr großen Kernen wieder ab?

Abb.). Leichtere Kerne haben relativ mehr Nukleonen an der Oberfläche, wo sie schwächer gebunden sind. Bei schwereren Kernen nimmt die Bindungsenergie je Nukleon dann wieder ab, denn je mehr Protonen vorhanden sind, desto stärker wächst die abstoßende Coulombkraft zwischen ihnen an.

Wie hängen bindungslänge und Bindungsenergie zusammen?

Die Größe der Bindungsenergie hängt unter anderem von der Bindungslänge (je länger desto niedriger), der Polarität der Bindung (polare Atombindungen sind schwerer zu spalten als unpolare) und der Art der Bindung (Einfachbindung lässt sich leichter als eine Doppelbindung und diese wiederum leichter als eine ...