Energía de disociación de enlace

La energía de disociación de enlace (BDE, D ₀ o DH°) es una medida de la fuerza de un enlace químico A−B. Puede definirse como el cambio de entalpía estándar cuando A−B se escinde por homólisis para dar los fragmentos A y B, que suelen ser especies radicales. El cambio de entalpía depende de la temperatura, y la energía de disociación del enlace a menudo se define como el cambio de entalpía de la homólisis a 0 K (cero absoluto), aunque el cambio de entalpía a 298 K (condiciones estándar) también es un parámetro frecuente..

Como ejemplo típico, la energía de disociación de enlace para uno de los enlaces C−H en el etano (C ₂ H ₆) se define como el cambio de entalpía estándar del procesoCH ₃ CH ₂ −H → CH ₃ CH ₂ • + H•,DH ° ₂₉₈ (CH ₃ CH ₂ −H) = Δ H° = 101,1(4) kcal/mol = 423,0 ± 1,7 kJ/mol = 4,40(2) eV (por enlace).

Para convertir un BDE molar en la energía necesaria para disociar el enlace por molécula, se puede usar el factor de conversión 23,060 kcal/mol (96,485 kJ/mol) para cada eV.

Se han utilizado una variedad de técnicas experimentales, incluida la determinación espectrométrica de los niveles de energía, la generación de radicales por pirólisis o fotólisis, las mediciones de la cinética química y el equilibrio, y varios métodos calorimétricos y electroquímicos para medir los valores de energía de disociación de enlaces. Sin embargo, las mediciones de energía de disociación de enlaces son desafiantes y están sujetas a errores considerables. La mayoría de los valores actualmente conocidos tienen una precisión de ±1 o 2 kcal/mol (4–10 kJ/mol). Además, los valores medidos en el pasado, especialmente antes de la década de 1970, pueden ser especialmente poco fiables y han estado sujetos a revisiones del orden de 10 kcal/mol (p. ej., enlaces C-H del benceno, de 103 kcal/mol en 1965 a la actual). valor aceptado de 112,9(5) kcal/mol). Incluso en los tiempos modernos (entre 1990 y 2004), se ha informado que el enlace O-H del fenol oscila entre 85,8 y 91,0 kcal/mol. Por otra parte, la energía de disociación del enlace del H ₂ a 298 K se ha medido con gran precisión y exactitud: DH ° ₂₉₈ (H−H) = 104,1539(1) kcal/mol.

Definiciones y parámetros relacionados

El término energía de disociación de enlace es similar a la noción relacionada de entalpía de disociación de enlace (o entalpía de enlace), que a veces se usa indistintamente. Sin embargo, algunos autores hacen la distinción de que la energía de disociación de enlace (D ₀) se refiere al cambio de entalpía a 0 K, mientras que el término entalpía de disociación de enlace se usa para el cambio de entalpía a 298 K (indicado inequívocamente como DH ° ₂₉₈). El primer parámetro tiende a favorecerse en el trabajo teórico y computacional, mientras que el último es más conveniente para los estudios termoquímicos. Para los sistemas químicos típicos, la diferencia numérica entre las cantidades es pequeña y, a menudo, la distinción puede ignorarse. Para un hidrocarburo RH, donde R es significativamente mayor que H, por ejemplo, la relación D ₀ (R−H) ≈ DH ° ₂₉₈ (R−H) − 1,5 kcal/mol es una buena aproximación. Algunos libros de texto ignoran la dependencia de la temperatura, mientras que otros han definido la energía de disociación del enlace como la entalpía de reacción de la homólisis a 298 K.

La energía de disociación del enlace está relacionada con la profundidad del pozo de energía potencial asociado del enlace, De, conocido como energía electrónica, pero _es ligeramente diferente de ella. Esto se debe a la existencia de una energía de punto cero ε ₀ para el estado fundamental vibratorio, lo que reduce la cantidad de energía necesaria para alcanzar el límite de disociación. Por lo tanto, D ₀ es ligeramente menor que D _e, y se cumple la relación D ₀ = D _e − ε ₀.

La energía de disociación del enlace es un cambio de entalpía de un proceso químico particular, a saber, la escisión del enlace homolítico, y la "fuerza del enlace" medida por el BDE no debe considerarse como una propiedad intrínseca de un tipo de enlace particular, sino más bien como un cambio de energía que depende en el contexto químico. Por ejemplo, Blanksby y Ellison citan el ejemplo de la cetena (H ₂ C=CO), que tiene una energía de disociación de enlace C=C de 79 kcal/mol, mientras que el etileno (H ₂ C=CH ₂) tiene una energía de disociación de enlace de 174 kcal/mol. Esta gran diferencia se explica por la estabilidad termodinámica del monóxido de carbono (CO), formado por la ruptura del enlace C=C de la cetena. La diferencia en la disponibilidad de los estados de espín tras la fragmentación complica aún más el uso de BDE como medida de la fuerza de unión para las comparaciones directas, y se han sugerido como alternativa las constantes de fuerza.

Históricamente, la gran mayoría de los valores de energía de enlace tabulados son entalpías de enlace. Más recientemente, sin embargo, el análogo de energía libre de la entalpía de disociación de enlace, conocido como energía libre de disociación de enlace (BDFE), se ha vuelto más frecuente en la literatura química. El BDFE de un enlace A–B se puede definir de la misma manera que el BDE como el cambio de energía libre estándar (Δ G °) que acompaña a la disociación homolítica de AB en A y B. Sin embargo, a menudo se piensa y se calcula paso a paso como la suma de los cambios de energía libre de la disociación del enlace heterolítico (A–B → A +:B), seguida de la reducción de un electrón de A (A + e → A•) y la oxidación de un electrón de B (:B→ •B + e). En contraste con el BDE, que generalmente se define y mide en la fase gaseosa, el BDFE a menudo se determina en la fase de solución con respecto a un solvente como DMSO, ya que los cambios de energía libre para los pasos termoquímicos antes mencionados se pueden determinar a partir de parámetros. como las constantes de disociación ácida (p K _a) y los potenciales redox estándar (ε°) que se miden en solución.

Energía de enlace

A excepción de las moléculas diatómicas, la energía de enlace-disociación difiere de la energía de enlace. Mientras que la energía de enlace-disociación es la energía de un solo enlace químico, la energía de enlace es el promedio de todas las energías de enlace-disociación de los enlaces del mismo tipo para una molécula dada. Para un compuesto homoléptico EX _n, la energía de enlace E–X es (1/ n) multiplicada por el cambio de entalpía de la reacción EX _n → E + n X. Las energías de enlace promedio dadas en las tablas son los valores promedio de las energías de enlace de una colección de especies que contienen ejemplos "típicos" del enlace en cuestión.

Por ejemplo, la disociación del enlace HO-H de una molécula de agua (H ₂ O) requiere 118,8 kcal/mol (497,1 kJ/mol). La disociación del radical hidroxilo restante requiere 101,8 kcal/mol (425,9 kJ/mol). Se dice que la energía de enlace de los enlaces O−H covalentes en el agua es de 110,3 kcal/mol (461,5 kJ/mol), el promedio de estos valores.

De la misma manera, para eliminar átomos de hidrógeno sucesivos del metano, las energías de disociación del enlace son 105 kcal/mol (439 kJ/mol) para D (CH ₃ −H), 110 kcal/mol (460 kJ/mol) para D (CH ₂ −H), 101 kcal/mol (423 kJ/mol) para D (CH−H) y finalmente 81 kcal/mol (339 kJ/mol) para D (C−H). La energía de enlace es, por lo tanto, 99 kcal/mol, o 414 kJ/mol (el promedio de las energías de disociación de enlace). Ninguna de las energías de disociación de enlace individuales es igual a la energía de enlace de 99 kcal/mol.

Enlaces más fuertes y enlaces más débiles

Según los datos de BDE, los enlaces simples más fuertes son los enlaces Si−F. El BDE para H ₃ Si−F es de 152 kcal/mol, casi un 50 % más fuerte que el enlace H ₃ C−F (110 kcal/mol). El BDE para F ₃ Si−F es aún mayor, a 166 kcal/mol. Una consecuencia de estos datos es que muchas reacciones generan fluoruros de silicio, como el grabado de vidrio, la desprotección en síntesis orgánica y las emisiones volcánicas. La fuerza del enlace se atribuye a la diferencia sustancial de electronegatividad entre el silicio y el flúor, lo que lleva a una contribución sustancial tanto del enlace iónico como covalente a la fuerza general del enlace. El enlace simple C−C del diacetileno (HC≡C−C≡CH) que une dos átomos de carbono con hibridación sp también se encuentra entre los más fuertes, con 160 kcal/mol.El enlace más fuerte para un compuesto neutro, incluidos los enlaces múltiples, se encuentra en el monóxido de carbono a 257 kcal/mol. Se dice que las formas protonadas de CO, HCN y N ₂ tienen enlaces aún más fuertes, aunque otro estudio argumenta que el uso de BDE como medida de la fuerza de enlace en estos casos es engañoso.

En el otro extremo de la escala, no existe un límite claro entre un enlace covalente muy débil y una interacción intermolecular. Los complejos ácido-base de Lewis entre fragmentos de metales de transición y gases nobles se encuentran entre los enlaces más débiles con un carácter covalente sustancial, con (CO) ₅ W:Ar que tiene una energía de disociación de enlace W-Ar de menos de 3,0 kcal/mol. Mantenido unido completamente por la fuerza de van der Waals, el dímero de helio, He ₂, tiene la energía de disociación de enlace más baja medida de solo 0,021 kcal/mol.

Disociación homolítica versus heterolítica

Los enlaces se pueden romper de forma simétrica o asimétrica. El primero se denomina homólisis y es la base de los BDE habituales. La escisión asimétrica de un enlace se denomina heterólisis. Para el hidrógeno molecular, las alternativas son:

Tenga en cuenta que en la fase gaseosa, la entalpía de heterólisis es mayor que la de homólisis, debido a la necesidad de separar cargas diferentes. Sin embargo, este valor se reduce sustancialmente en presencia de un disolvente.

Energías de enlace representativas

Los datos tabulados a continuación muestran cómo varían las fuerzas de enlace en la tabla periódica.

Existe un gran interés, especialmente en química orgánica, con respecto a las fuerzas relativas de los enlaces dentro de un grupo dado de compuestos, y las energías de disociación de enlaces representativas para compuestos orgánicos comunes se muestran a continuación.