Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Энергия решетки - это энергия, необходимая для разрушения одного моля ионного соединения на составляющие его ионы в газообразном состоянии. Это мера когезионных сил, связывающих ионы. Энергия решетки имеет отношение ко многим практическим свойствам, включая растворимость , твердость и летучесть. Энергия решетки обычно выводится из цикла Борна – Габера . [1]

СложныйЭкспериментальная энергия решетки [1]Тип структурыКомментарий
LiF−1030 кДж / мольNaClразница по сравнению с хлоридом натрия из-за большего заряда / радиуса как для катиона, так и для аниона
NaCl−786 кДж / мольNaClэталонное соединение для решетки NaCl
NaBr−747 кДж / мольNaClболее слабая решетка по сравнению с NaCl
NaI−704 кДж / мольNaClболее слабая решетка по сравнению с NaBr, растворим в ацетоне
CsCl−657 кДж / мольCsClэталонное соединение для решетки CsCl
CsBr−632 кДж / мольCsClтенденция против CsCl, как NaCl против NaBr
CsI-600 кДж / мольCsClтенденция против CsCl, как NaCl против NaI
MgO−3795 кДж / мольNaClМатериалы M 2+ O 2- имеют высокую энергию решетки по сравнению с M + O - . MgO не растворяется во всех растворителях.
CaO−3414 кДж / мольNaClМатериалы M 2+ O 2- имеют высокую энергию решетки по сравнению с M + O - . CaO не растворяется во всех растворителях.
SrO−3217 кДж / мольNaClМатериалы M 2+ O 2- имеют высокую энергию решетки по сравнению с M + O - . SrO не растворяется во всех растворителях.
MgF 2−2922 кДж / мольрутилв отличие от Mg 2+ O 2-
TiO 2−12150 кДж / мольрутилTiO 2 ( рутил ) и некоторые другие соединения M 4+ (O 2- ) 2 являются тугоплавкими материалами.

Энергия решетки и энтальпия решетки [ править ]

Образование кристаллической решетки является экзотермическим, т. Е. Значение ΔH решетки отрицательно, поскольку оно соответствует слиянию бесконечно разделенных газообразных ионов в вакууме с образованием ионной решетки.

Кристаллическая решетка хлорида натрия

Концепция энергии решетки была первоначально разработана для соединений со структурой каменной соли и сфалерита, таких как NaCl и ZnS , где ионы занимают узлы высокосимметричной кристаллической решетки. В случае NaCl энергия решетки - это энергия, выделяемая при реакции

Na + (г) + Cl - (г) → NaCl (т)

что составило бы -786 кДж / моль. [2]

Связь между молярной энергией решетки и молярной энтальпией решетки определяется следующим уравнением:

,

где - молярная энергия решетки, молярная энтальпия решетки и изменение объема на моль. Следовательно, энтальпия решетки дополнительно учитывает, что работа должна выполняться против внешнего давления .

Некоторые учебники [3] и обычно используемый CRC Handbook of Chemistry and Physics [4] определяют энергию решетки (и энтальпию) с противоположным знаком, то есть как энергию, необходимую для преобразования кристалла в бесконечно разделенные газообразные ионы в вакууме , эндотермический процесс. . Согласно этому соглашению, энергия решетки NaCl будет +786 кДж / моль. Энергия решетки для ионных кристаллов, таких как хлорид натрия, металлов, таких как железо, или ковалентно связанных материалов, таких как алмаз, значительно больше по величине, чем для твердых веществ, таких как сахар или йод, нейтральные молекулы которых взаимодействуют только посредством более слабого диполь-диполя или ван дер Силы Ваальса .

Теоретические методы лечения [ править ]

Энергия решетки ионного соединения зависит от зарядов ионов, составляющих твердое тело. Более тонко, относительные и абсолютные размеры ионов влияют на решетку ΔH .

Уравнение Борна – Ланде [ править ]

Основная статья: уравнение Борна – Ланде

В 1918 году [5] Борн и Ланде предложили, что энергия решетки может быть получена из электрического потенциала ионной решетки и члена потенциальной энергии отталкивания . [2]

где

N A - постоянная Авогадро ;
M - постоянная Маделунга , относящаяся к геометрии кристалла;
z + - зарядовое число катиона;
z - зарядовое число аниона;
q e - элементарный заряд , равный1,6022 × 10 -19  ° С ;
ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства , равная8,854 × 10 −12  C 2 Дж −1 м −1 ;
r 0 - расстояние до ближайшего иона; и
n - показатель Борна, число от 5 до 12, определяемый экспериментально путем измерения сжимаемости твердого тела или полученный теоретически. [6]

Уравнение Борна – Ланде показывает, что энергия решетки соединения зависит от ряда факторов.

  • по мере увеличения зарядов на ионах энергия решетки увеличивается (становится более отрицательной),
  • когда ионы расположены ближе друг к другу, энергия решетки увеличивается (становится более отрицательной)

Оксид бария (BaO), например, который имеет структуру NaCl и, следовательно, такую ​​же константу Маделунга, имеет радиус связи 275 пикометров и энергию решетки -3054 кДж / моль, в то время как хлорид натрия (NaCl) имеет радиус связи 283 пикометра и энергия решетки -786 кДж / моль.

Уравнение Капустинского [ править ]

Уравнение Капустинского можно использовать как более простой способ получения энергии решетки там, где не требуется высокой точности. [2]

Эффект поляризации [ править ]

Для ионных соединений с ионами, занимающими узлы решетки с кристаллографическими точечными группами C 1 , C 1 h , C n или C nv ( n = 2, 3, 4 или 6), понятие энергии решетки и цикла Борна – Габера должно быть расширенный. [7] В этих случаях энергия поляризации E pol, связанная с ионами на полярных узлах решетки, должна быть включена в цикл Борна-Габера, и реакция образования твердого вещества должна начинаться с уже поляризованных частиц. В качестве примера можно рассмотреть случай железо-пирита FeS 2, где ионы серы занимают узлы решетки точечной группы симметрии C 3 . Тогда реакция, определяющая энергию решетки, имеет вид

Fe 2+ (г) + 2 pol S - (г) → FeS 2 (т)

где pol S - поляризованный газообразный ион серы. Было показано, что пренебрежение этим эффектом привело к 15% разнице между теоретической и экспериментальной энергией термодинамического цикла FeS 2, которая уменьшилась только до 2%, когда были учтены эффекты поляризации серы. [8]

См. Также [ править ]

  • Связанная энергия
  • Цикл Борна – Габера
  • Химическая связь
  • Постоянная Маделунга
  • Ионная проводимость
  • Энтальпия плавления
  • Изменение энтальпии раствора
  • Теплота разбавления

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Аткинс; и другие. (2010). Неорганическая химия Шрайвера и Аткинса (Пятое изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-1820-7.
  2. ^ a b c Дэвид Артур Джонсон, Металлы и химические изменения , Открытый университет, Королевское химическое общество, 2002, ISBN 0-85404-665-8 
  3. ^ Zumdahl, Стивен С. (1997). Химия (4-е изд.). Бостон: Хоутон Миффлин. С. 357–358. ISBN 978-0-669-41794-4.
  4. ^ Хейнс, Уильям М .; Лиде, Дэвид Р .; Бруно, Томас Дж. (2017). CRC Справочник по химии и физике: готовый справочник химических и физических данных . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Taylor & Francis Group. С. 12–22–12–34. ISBN 9781498754293.
  5. ^ ID Brown, Химическая связь в неорганической химии , монографии IUCr в кристаллографии, Oxford University Press, 2002, ISBN 0-19-850870-0 
  6. ^ Коттон, Ф. Альберт; Уилкинсон, Джеффри; (1966). Продвинутая неорганическая химия (2-е изд.) Нью-Йорк: Wiley-Interscience.
  7. ^ М. Биркхольцем (1995). «Диполи, индуцированные кристаллическим полем в гетерополярных кристаллах - I. Концепция» . Z. Phys. B . 96 (3): 325–332. Bibcode : 1995ZPhyB..96..325B . CiteSeerX 10.1.1.424.5632 . DOI : 10.1007 / BF01313054 . 
  8. ^ М. Биркхольцем (1992). «Кристаллическая энергия пирита» . J. Phys .: Condens. Материя . 4 (29): 6227–6240. Bibcode : 1992JPCM .... 4.6227B . DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 4/29/007 .