Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

7.7.2: Енергія решітки - цикл Борна-Хабера

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    33164

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Іонні тверді речовини, як правило, є дуже стабільними сполуками. Ентальпії утворення іонних молекул не можуть самостійно пояснити цю стабільність. Ці сполуки мають додаткову стійкість за рахунок енергії решітки твердої структури. Однак енергію решітки неможливо безпосередньо виміряти. Цикл Борна-Хабера дозволяє зрозуміти і визначити енергії решітки іонних твердих тіл.

    Вступ

    Цей модуль познайомить з ідеєю енергії решітки, а також один процес, який дозволяє обчислити її: цикл Борна-Хабера. Для того, щоб використовувати цикл Born-Haber, є кілька понять, які ми повинні зрозуміти в першу чергу.

    Енергія решітки

    Енергія решітки - це тип потенційної енергії, яка може бути визначена двома способами. В одному визначенні енергія решітки - це енергія, необхідна для розщеплення іонного твердого тіла і перетворення його складових атомів в газоподібні іони. Це визначення призводить до того, що значення енергії решітки завжди буде позитивним, так як це завжди буде ендотермічна реакція. Інше визначення говорить, що енергія решітки - це зворотний процес, тобто це енергія, що виділяється, коли газоподібні іони зв'язуються, утворюючи іонне тверде тіло. Як мається на увазі під визначенням, цей процес завжди буде екзотермічним, і таким чином значення для енергії решітки буде негативним. Його значення зазвичай виражаються одиницями кДж/моль.

    Енергія решітки використовується для пояснення стабільності іонних твердих тіл. Деякі можуть очікувати, що така впорядкована структура буде менш стабільною, оскільки ентропія системи буде низькою. Однак кристалічна структура дозволяє кожному іону взаємодіяти з множинними протилежно зарядженими іонами, що викликає вельми сприятливу зміну ентальпії системи. У міру взаємодії протилежно заряджених іонів виділяється багато енергії. Саме це призводить до того, що іонні тверді речовини мають такі високі температури плавлення та кипіння. Деякі вимагають таких високих температур, що вони розкладаються, перш ніж вони зможуть досягти температури плавлення та/або кипіння.

    Цикл народженого Хабера

    Існує кілька важливих концепцій, які слід зрозуміти, перш ніж цикл Борна-Хабера може бути застосований для визначення енергії решітки іонного твердого тіла; енергія іонізації, спорідненість електронів, енергія дисоціації, енергія сублімації, теплота утворення та Закон Гесса.

    • Енергія іонізації - це енергія, необхідна для видалення електрона з нейтрального атома або іона. Цей процес завжди вимагає введення енергії, і, таким чином, завжди матиме позитивне значення. В цілому енергія іонізації збільшується по таблиці Менделєєва зліва направо і зменшується зверху вниз. Є деякі винятки, як правило, через стабільність напівзаповнених і повністю заповнених орбіталей.
    • Електронна спорідненість - це енергія, що виділяється при додаванні електрона до нейтрального атома або іона. Зазвичай виділяється енергія мала б від'ємне значення, але через визначення спорідненості електронів вона записується як позитивне значення в більшості таблиць. Тому при використанні в обчисленні енергії решітки ми повинні пам'ятати про те, щоб віднімати спорідненість електронів, а не складати її. Загалом, спорідненість електронів збільшується зліва направо по таблиці Менделєєва і зменшується зверху вниз.
    • Енергія дисоціації - це енергія, необхідна для розщеплення сполуки. Дисоціація сполуки - це завжди ендотермічний процес, тобто він завжди вимагатиме введення енергії. Тому зміна енергії завжди позитивне. Величина енергії дисоціації залежить від електронегативності задіяних атомів.
    • Енергія сублімації - це енергія, необхідна для того, щоб викликати зміну фази з твердої на газову, минаючи рідку фазу. Це введення енергії, і, таким чином, має позитивне значення. Це також може називатися енергією розпилення.
    • Теплота освіти - це зміна енергії при утворенні з'єднання з його елементів. Це може бути позитивним або негативним, залежно від задіяних атомів та того, як вони взаємодіють.
    • Закон Гесса стверджує, що загальну зміну енергії процесу можна визначити, розбивши процес на етапи, а потім додаючи зміни енергії кожного кроку. Цикл Born-Haber - це, по суті, закон Гесса, застосований до іонного твердого тіла.

    Використання циклу Born-Haber

    Значення, що використовуються в циклі Борна-Хабера, - це зумовлені зміни ентальпії для процесів, описаних у розділі вище. Закон Гесса дозволяє складати або відняти ці значення, що дозволяє визначити енергію решітки.

    Народжені Хабера цикл 1.jpg

    Крок 1

    Визначте енергію металу і неметалу в їх елементарних формах. (Елементи в своєму природному стані мають енергетичний рівень нуль.) Відніміть з цього теплоту утворення іонного твердого тіла, яке б утворилося від об'єднання цих елементів у відповідному раціоні. Це енергія іонного твердого тіла, і буде використовуватися в кінці процесу для визначення енергії решітки.

    Крок 2

    Цикл Борна-Хабера вимагає, щоб елементи, що беруть участь в реакції, знаходилися в їх газоподібних формах. Додайте зміни в ентальпії, щоб перетворити один з елементів в його газоподібний стан, а потім зробіть те ж саме для іншого елемента.

    Крок 3

    Метали існують в природі як поодинокі атоми, і тому для цього елемента не потрібно додавати енергію дисоціації. Однак багато неметалів будуть існувати як багатоатомні види. Наприклад, Cl існує як Cl 2 у своєму елементарному стані. Енергія, необхідна для зміни Cl 2 на атоми 2Cl, повинна бути додана до значення, отриманого на кроці 2.

    Крок 4

    І метал, і неметал тепер потрібно змінити на їх іонні форми, оскільки вони існували б в іонному твердому тілі. Для цього енергія іонізації металу буде додана до значення з кроку 3. Далі від попереднього значення буде відніматися електронна спорідненість неметалу. Його віднімають, оскільки це вивільнення енергії, пов'язане з додаванням електрона.

    * Це поширена помилка через плутанину, спричинену визначенням спорідненості електронів, тому будьте обережні, виконуючи цей розрахунок.

    Крок 5

    Тепер метал і неметал будуть об'єднані, утворюючи іонне тверде тіло. Це викличе викид енергії, яка називається енергією решітки. Значення енергії решітки - це різниця між значенням з кроку 1 і значенням з кроку 4.

    —

    Діаграма нижче - ще одне зображення циклу Борна-Хабера.

    Народжені Хабера цикл 2.jpg

    Рівняння

    Цикл Борна-Хабера можна звести до єдиного рівняння:

    Теплота утворення= Теплота розпилення+ Енергія дисоціації+ (сума енергій іонізації) + (сума спорідненості електронів) + Енергія решітки

    *Примітка: У цьому загальному рівнянні додається спорідненість електронів. Однак при підключенні значення визначте, чи виділяється енергія (екзотермічна реакція) або поглинається (ендотермічна реакція) для кожної спорідненості електронів. Якщо енергія вивільняється, поставте перед значенням негативний знак; якщо енергія поглинається, то значення повинно бути позитивним.

    Перестановка для розв'язання енергії решітки дає рівняння:

    Енергія решітки = Теплота утворення- Теплота атомізації- Енергія дисоціації- (сума енергій іонізації) - (сума спорідненості електронів)

    Посилання

    1. Чітхем, А.К. і П. Хімія твердого тіла. Оксфорд: Кларендон Прес, 1992.
    2. Дженкінс, Х.Дональд Б. «Термодинаміка взаємозв'язку між енергією решітки та ентальпією решітки». Журнал хімічної освіти. Том 82, с. 950-952. Ковентрі, Західний Мідленд, Великобританія: Університет Уоріка, 2005.
    3. Ледд, Марк. Кристалічні структури: решітки та тверді тіла в стереовигляді. Чичестер: Хорвуд, 1999.
    4. Ледд, Марк. Хімічне з'єднання в твердих тілах і рідинях. Чичестер: Хорвуд, 1994.
    5. Судзукі, Такаші. Вільна енергія та самовзаємодіючі частинки. Бостон: Біркхаузер, 2005.

    Проблеми

    1. Визначте енергію решітки, енергію іонізації та спорідненість електронів.
    2. Що таке закон Гесса?
    3. Знайти енергію решітки KF (s).
      Примітка: Значення можна знайти в стандартних таблицях.
    4. Знайти енергію решітки MgCl 2 (s).
    5. Який з наступних має найбільшу енергію решітки?
      1. А) MgO
      2. Б) NaC
      3. C) LicL
      4. Г) MgCl 2
    6. Який з наступних має найбільшу енергію решітки?
      1. NaCl
      2. CaCl 2
      3. АлКл 3
      4. KCl

    Рішення

    1. Енергія решітки: Різниця в енергії між очікуваним експериментальним значенням для енергії іонного твердого тіла та фактичним значенням, що спостерігається. Більш конкретно, це енергетичний проміжок між енергією окремих газоподібних іонів і енергією іонного твердого тіла.
      Енергія іонізації: Зміна енергії, пов'язана з видаленням електрона з нейтрального атома або іона.
      Спорідненість до електронів: Вивільнення енергії, пов'язаної з додаванням електрона до нейтрального атома або іона.
    2. Закон Гесса стверджує, що загальна енергія реакції може бути визначена шляхом розбивання процесу на кілька етапів, а потім додавання разом змін енергії кожного кроку.
    3. Енергія решітки = [-436.68-89- (0.5*158) -418.8- (-328)] кДж/моль = -695,48 кДж/моль
    4. Енергія решітки = [-641.8-146-243- (737.7+1450.6) - (2*-349)] кДж/моль = -2521,1 кДж/моль
    5. MgO. У ньому є іони з найбільшим зарядом.
    6. АлСл 3. Відповідно до періодичних тенденцій, у міру збільшення радіуса іона, енергія решітки зменшується.

    Посилання

    1. Ральф, Вільям, Ф.Джеффрі та Джеффрі. Загальна хімія. Дев'яте изд. Нью-Джерсі: Пірсон освіти, Inc. 2007. p500; 513-515.
    2. Комбс, Леон. «Енергія решітки». Д-р Леон Л. Комбс. 1999. erkki.kennesaw.edu/genchem8/ge00002.htm
    3. Зображення діаграми NaCl інтро.chem.okstate.edu/1314f0... BornHaber2.GIF
    4. Хаузкрофт, Кетрін Е. і Алан Г. Шарп. Неорганічна хімія. 3-е изд. Англія: Пірсон Освіта Лімітед, 2008.174-175.