Bindingsenergi

Med bindingsenergi for en substans eller et stoff mener man den energien man må tilføre det for at det skal gå fra hverandre i sin enkelte bestanddeler. Begrepet ble først benyttet innen kjemi for å angi energien som holder forskjellige atom sammen i et molekyl. Det kan også anvendes på den energi som må tilføres for å overføre samme substans fra en fase til en annen. Et eksempel er fordampningsvarmen som trenges for å forandre vann fra en væske til en gass. De fleste kjemiske bindingsenergier er av størrelsesorden 1 eV som er en karakteristisk energi for et elektron i et atom.
Kjernefysiske reaksjoner har mange likhetspunkter med kjemiske reaksjoner. Bestandelene til en atomkjerne er nukleoner som kan være protoner eller nøytroner. De blir holdt sammen av den sterke kjernekraften. Denne har en meget kort rekkevidde og virker bare innenfor atomkjernen. Bindingsenergien for en atomkjerne er definert ved den energien som må tilføres en atomkjerne for å splitte den opp i frie protoner og nøytroner og er typisk 2-8 MeV per frigjort nukleon. Disse energiene er derfor av størrelsesorden en million større enn energiene som opptrer i kjemiske reaksjoner og utnyttes i atomkraftverk.

Kjemiske bindingenergier

Atomer kan bindes sammen i større molekyler eller makroskopiske krystaller med kjemiske bindinger. Et natriumklorid NaCl molekyl består av et Na⁺ ion og et  Cl⁻ ion holdt sammen med den elektriske Coulomb-kraften. Denne elektrostatiske vekselvirkningen har et minium for en separasjon på 0,23 nm mellom ionene. Her er den potensielle energien 5,4 eV mindre enn for de frie ionene. Dette er derfor den ioniske bindingsenergien. For kortere avstander dominerer frastøtningen mellom de negativt ladete elektronskyene rundt ionene.
En  NaCl krystall som utgjør koksalt, består av Na⁺ og Cl⁻ ioner plassert i et kubisk krystallgitter som blir holdt sammen av Coulomb-kreftene mellom alle ionene. Bindingsenergien til krystallen kan da beregnes ved å summere opp energiene mellom alle disse ladningene og blir litt større enn for det frie molekylet.
De fleste molekyler blir holdt sammen ved kovalente bindinger som kan forklares ved hjelp av kvantemekanikken. To hydrogenatomer 2H kan bindes sammen i et hydrogenmolekyl H₂. For å bryte opp denne bindingen må det utføres et arbeid som tilsvarer 4,5 eV  = 7,2×10 ⁻¹⁹J som dermed er den kovalente bindingsenergien for dette molekylet. I kjemien oppgir man vanligvis disse energiene per mol med substans, det vil si i dette tilfellet for 2 g av  H₂. Da antall molekyler i 1 mol er gitt ved Avogadros konstant  NA, vil kovalente bindingsenergier være av størrelsesorden NA eV = 96,5 kJ/mol. Hydrogenmolekylet har bindingsenergien  434 kJ/mol som representerer en ganske sterk, kovalent binding.  Oksygenmolekylet O₂ har en dobbel, kovalent binding med noe større bindingsenergi og nitrogenmolekylet N₂ har en bindingsenergi på hele 940 kJ/mol som skyldes en trippel, kovalent binding hvor tre elektronpar er delt mellom de to atomene. De fleste kovalente bindinger mellom ulike atomer er typisk (300 - 400) kJ/mol.
Mellom nøytrale molekyler i en gass eller væske virker vanligvis svake van der Waalske krefter som skyldes induserte, elektriske dipoler i molekylene. Dette gir opphav til bindingsenergier av størrelsesorden 1 kJ/mol. Disse er derfor mye svakere enn de kovalente vekselvirkningene. I vannmolekylet H₂O blir de to H-atomene bundet til O-atomet med kovalente bindinger. Men elektronene på H-atomene blir trukket over mot O-atomet slik at dette blir negativt og H-atomet tilsvarende positivt og bestående nesten av et nakent proton. Molekylet har derfor et elektrisk dipolmoment. I gass eller væskefasen  til vann vil det dermed  oppstå elektrostatiske bindinger mellom positivt polariserte H-atomer og negativt polariserte O-atomer. Dette er såkalte hydrogenbindinger med bindingsenergier av størrelsesorden 10 kJ/mol. H-bindingen mellom vannmolekyler H₂O har en bindingsenergi på om lag 22 kJ/mol. Sammenligner man dette med fordampningsvarmen for vann som er 42 kJ/mol, ser man at vann i den flytende fasen blir holdt sammen i gjennomsnitt av to hydrogenbindinger.