Ионную кристаллическую решетку имеет хлорид калия лед графит магний


Типы кристаллических решёток — урок. Химия, 8–9 класс.

Большинство твёрдых веществ имеет кристаллическое строение, которое характеризуется строго определённым расположением частиц.

 

Если соединить частицы условными линиями, то получится пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой.

 

Точки, в которых размещены частицы кристалла, называют узлами решётки. В узлах воображаемой решётки могут находиться атомы, ионы или молекулы.

 

В зависимости от природы частиц, расположенных в узлах, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решёток: ионную, металлическую, атомную и молекулярную.

Ионными называют решётки, в узлах которых находятся ионы.

Их образуют вещества с ионной связью. В узлах такой решётки располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные между собой электростатическим взаимодействием.

 

Ионные кристаллические решётки имеют соли, щёлочи, оксиды активных металлов.

 

Ионы могут быть простые или сложные. Например, в узлах кристаллической решётки хлорида натрия находятся простые ионы натрия Na+ и хлора Cl−, а в узлах решётки сульфата калия чередуются простые ионы калия  K+ и сложные сульфат-ионы SO42−.

 

Связи между ионами в таких кристаллах прочные. Поэтому ионные вещества твёрдые, тугоплавкие, нелетучие. Такие вещества хорошо растворяются в воде.

  

 

Кристаллическая решётка хлорида натрия

  

Кристалл хлорида натрия

Металлическими называют решётки, которые состоят из положительных ионов и атомов металла и свободных электронов.

Их образуют вещества с металлической связью. В узлах металлической решётки находятся атомы и ионы (то атомы, то ионы, в которые легко превращаются атомы, отдавая свои внешние электроны в общее пользование).

 

Такие кристаллические решётки характерны для простых веществ металлов и сплавов.

 

Температуры плавления металлов могут быть разными (от \(–37\) °С у ртути до двух-трёх тысяч градусов). Но все металлы имеют характерный металлический блеск, ковкость, пластичность, хорошо проводят электрический ток и тепло.

 

Металлическая кристаллическая решётка

  

Металлические изделия

Атомными называют кристаллические решётки, в узлах которых находятся отдельные атомы, соединённые ковалентными связями.

Такой тип решётки имеет алмаз — одно из аллотропных видоизменений углерода. К веществам с атомной кристаллической решёткой относятся графит, кремний, бор и германий, а также сложные вещества, например, карборунд SiC и кремнезём, кварц, горный хрусталь, песок, в состав которых входит оксид кремния(\(IV\)) SiO2.

  

Таким веществам характерны высокая прочность и твёрдость. Так, алмаз является самым твёрдым природным веществом.

  

У веществ с атомной кристаллической решёткой очень высокие температуры плавления и кипения. Например, температура плавления кремнезёма — \(1728\) °С, а у графита она выше — \(4000\) °С. 

 

Атомные кристаллы практически нерастворимы.

 

Кристаллическая решётка алмаза

  

Алмаз

Молекулярными  называют решётки, в узлах которых находятся молекулы, связанные слабым межмолекулярным взаимодействием.

Несмотря на то, что внутри молекул атомы соединены очень прочными ковалентными связями, между самими молекулами действуют слабые силы межмолекулярного притяжения. Поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую прочность и твёрдость, низкие температуры плавления и кипения.

 

Многие молекулярные вещества при комнатной температуре представляют собой жидкости и газы.

 

Такие вещества летучи. Например, кристаллические иод и твёрдый оксид углерода(\(IV\)) («сухой лёд») испаряются, не переходя в жидкое состояние.

 

Некоторые молекулярные вещества имеют запах.

 

Такой тип решётки имеют простые вещества в твёрдом агрегатном состоянии: благородные газы с одноатомными молекулами  (He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn), а также неметаллы с двух- и многоатомными молекулами (h3,O2,N2,Cl2,I2,O3,P4,S8).

  

Молекулярную кристаллическую решётку имеют также вещества с ковалентными полярными связями: вода — лёд, твёрдые аммиак, кислоты, оксиды большинства неметаллов. Большинство органических соединений тоже представляют собой молекулярные кристаллы (нафталин, сахар, глюкоза).

 

Кристаллическая решётка углекислого газа

 

«Сухой лёд»

 

Кристаллики иода

 

Если известно строение вещества, то можно предсказать его свойства.

Попробуем определить, каковы примерно температуры плавления у фторида натрия, фтороводорода и фтора.

  

У фторида натрия — ионная кристаллическая решётка. Значит, его температура плавления будет высокой. Фтороводород и фтор имеют молекулярные кристаллические решётки. Поэтому их температуры плавления будут невысокими. Молекулы фтороводорода полярные, а фтора — неполярные. Значит, межмолекулярное взаимодействие у фтороводорода будет сильнее, и его температура плавления будет выше по сравнению со фтором.

 

Экспериментальные данные подтверждают эти предположения: температуры плавления NaF, HF и F2 составляют соответственно \(995\) °С, \(–83\) °С,  \(–220\) °С.

Источники:

Габриелян О. С. Химия. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. — 133 с.  

 

Ионные структуры - Химия LibreTexts

На этой странице объясняется взаимосвязь между расположением ионов в типичном ионном твердом теле, таком как хлорид натрия, и его физическими свойствами - точкой плавления, точкой кипения, хрупкостью, растворимостью и электрическими характеристиками. Это также объясняет, почему хлорид цезия имеет структуру, отличную от хлорида натрия, хотя натрий и цезий находятся в группе 1 Периодической таблицы.

Структура типичного ионного твердого вещества - хлорида натрия

Хлорид натрия - это типичное ионное соединение.Подобные соединения состоят из гигантской (бесконечно повторяющейся) решетки ионов. Итак, хлорид натрия (и любое другое ионное соединение) описывается как имеющий гигантскую ионную структуру.

Вы должны понимать, что гигант в этом контексте не означает просто очень большой. Это означает, что вы не можете точно сказать, сколько там ионов. Там могут быть миллиарды ионов натрия и ионов хлора, упакованные вместе, или триллионы, или что-то еще - это просто зависит от размера кристалла. Это отличается, скажем, от молекулы воды, которая всегда содержит ровно 2 атома водорода и один атом кислорода - никогда больше и не меньше.Небольшой типичный образец решетки хлорида натрия выглядит так:

Если вы внимательно посмотрите на диаграмму, вы увидите, что ионы натрия и ионы хлора чередуются друг с другом в каждом из трех измерений. Эту диаграмму достаточно легко нарисовать на компьютере, но очень трудно убедительно нарисовать от руки. Обычно мы рисуем "взорванную" версию, которая выглядит так:

Только ионы, соединенные линиями, действительно касаются друг друга.Иона натрия в центре касаются 6 ионов хлора. Случайно мы могли бы с таким же успехом сосредоточить диаграмму вокруг иона хлорида - к которому, конечно, прикоснулись бы 6 ионов натрия. Хлорид натрия описывается как имеющий координацию 6: 6. Эта диаграмма представляет лишь крошечную часть всего кристалла хлорида натрия; картина повторяется таким образом на бесчисленном множестве ионов.

Как нарисовать эту структуру

Нарисуйте идеальный квадрат:

Теперь нарисуйте идентичный квадрат позади этого и немного сместите его.Возможно, вам придется немного попрактиковаться, чтобы правильно расположить два квадрата. Если вы ошиблись, ионы запутаются друг с другом на последней диаграмме.

Превратите это в идеальный куб, соединив квадраты вместе:

А теперь самое сложное! Разделите этот большой куб на 8 маленьких кубиков, соединив среднюю точку каждого ребра со средней точкой противоположного ему ребра. Чтобы завершить процесс, вам также нужно будет соединить среднюю точку каждой грани (которую легко найти, когда вы соединили края) со средней точкой противоположной грани.

Теперь все, что вам нужно сделать, это вставить ионы. Используйте разные цвета или разные размеры для двух разных ионов и не забудьте ключ. Неважно, получите ли вы ион натрия или хлорид в центре куба - важно только то, что они чередуются во всех трех измерениях.

Вы сможете нарисовать совершенно адекватный набросок от руки менее чем за две минуты - менее одной минуты, если вы не слишком привередливы!

Почему хлорид натрия имеет координацию 6: 6?

Чем сильнее притяжение положительных и отрицательных ионов, тем больше выделяется энергии.Чем больше выделяется энергии, тем более устойчивой становится структура. Это означает, что для достижения максимальной устойчивости вам потребуется максимальное количество аттракционов. Так почему же каждый ион окружает себя 6 ионами противоположного заряда? Это представляет собой максимальное количество ионов хлора, которое вы можете разместить вокруг центрального иона натрия, прежде чем ионы хлорида начнут соприкасаться друг с другом. Если они начнут соприкасаться, кристалл будет отталкиваться, что сделает его менее устойчивым.

Хлорид цезия разного строения

Сначала мы рассмотрим расположение ионов, а затем поговорим о том, почему структуры хлорида натрия и хлорида цезия различаются.Представьте себе слой хлорид-ионов, как показано ниже. Отдельные ионы хлорида не касаются друг друга. Это действительно важно - если бы они соприкасались, было бы отталкивание.

Теперь давайте поместим поверх них аналогично расположенный слой ионов цезия.

Обратите внимание, что ионы цезия тоже не соприкасаются друг с другом, но каждый ион цезия опирается на четыре иона хлорида из нижнего слоя.

Теперь давайте нанесем еще один слой хлорид-ионов, точно такой же, как первый слой.Опять же, ионы хлора в этом слое НЕ касаются ионов в нижнем слое - иначе вы создадите отталкивание. Поскольку мы смотрим прямо на структуру, вы, конечно, больше не можете видеть нижний слой хлорид-ионов.

Если теперь вы подумаете об ионе цезия, зажатом между двумя слоями хлорид-ионов, то он касается четырех ионов хлорида в нижнем слое и еще четырех в верхнем. Каждый ион цезия соприкасается с восемью ионами хлорида.Мы говорим, что она 8-согласованная. Если бы мы добавили еще один слой ионов цезия, вы могли бы аналогичным образом вычислить, что каждый хлорид-ион касается восьми ионов цезия. Ионы хлора также 8-координированы. Таким образом, в целом хлорид цезия имеет координацию 8: 8.

Последняя диаграмма в этой последовательности представляет собой слегка наклонный вид конструкции, чтобы вы могли видеть, как наращиваются слои. Эти диаграммы довольно сложно нарисовать, не создавая впечатление, что ионы одного заряда соприкасаются друг с другом.Это не так!

Диаграммы ионных кристаллов обычно упрощены, чтобы показать самую основную единицу повторяющегося узора. Для хлорида цезия вы можете, например, нарисовать простую диаграмму, показывающую расположение ионов хлорида вокруг каждого иона цезия:

Поменяв местами цвета (зеленый ион хлорида в центре и оранжевые ионы цезия, окружающие его), вы получите точно эквивалентную диаграмму расположения ионов цезия вокруг каждого иона хлорида.

Почему структура хлорида цезия и хлорида натрия различается?

Когда между двумя ионами с противоположными зарядами возникает притяжение, выделяется энергия. Чем больше энергии можно высвободить, тем более стабильной становится система. Это означает, что чем больше контакт между отрицательными и положительными ионами, тем более стабильным должен стать кристалл.

Если вы можете окружить положительный ион, например цезий, восемью ионами хлорида, а не только шестью (и наоборот, для ионов хлора), тогда у вас должен быть более стабильный кристалл.Так почему же хлорид натрия не делает то же самое? Посмотрите еще раз на последнюю диаграмму:

А теперь представьте, что произойдет, если вы замените ион цезия на меньший ион натрия. Ионы натрия, конечно, меньше, чем ионы цезия, потому что вокруг них меньше слоев электронов.

Вы все еще должны поддерживать контакт хлорид-иона с натрием. Эффект этого будет заключаться в том, что вся конструкция сжимается, в результате чего ионы хлора контактируют друг с другом, а это вызывает отталкивание.

Любой выигрыш в притяжении, потому что у вас восемь хлоридов вокруг натрия, а не шесть, более чем компенсируется новым отталкиванием между самими хлорид-ионами. Когда хлорид натрия имеет координацию 6: 6, таких отталкиваний нет - и это лучший способ организации себя.

В какой структуре кристаллизуется простое соединение 1: 1, такое как NaCl или CsCl, зависит от соотношения радиусов положительных и отрицательных ионов. Если радиус положительного иона больше 73% от радиуса отрицательного иона, то возможна координация 8: 8.Если меньше (до 41%), то получается координация 6: 6.

В CsCl размер иона цезия составляет примерно 93% от размера иона хлорида, поэтому он легко находится в диапазоне, в котором возможна координация 8: 8. Но с NaCl размер иона натрия составляет всего около 52% от размера иона хлорида. Это помещает его в диапазон, где вы получаете координацию 6: 6.

Физические свойства хлорида натрия

Хлорид натрия считается типичным для ионных соединений и выбран, а не, скажем, хлорид цезия, потому что он присутствует в каждой учебной программе этого уровня.

Хлорид натрия имеет высокие температуры плавления и кипения

Между положительными и отрицательными ионами существует сильное электростатическое притяжение, и для их преодоления требуется много тепловой энергии. Все ионные вещества имеют высокие температуры плавления и кипения. Различия между ионными веществами будут зависеть от таких вещей, как:

  • Число зарядов на ионах : Оксид магния имеет точно такую ​​же структуру, что и хлорид натрия, но с гораздо более высокими температурами плавления и кипения.Ионы 2+ и 2- притягивают друг друга сильнее, чем 1+ притягивает 1-.
  • Размеры ионов : Если ионы меньше, они сближаются, и поэтому электростатическое притяжение больше. Иодид рубидия, например, плавится и кипит при несколько более низких температурах, чем хлорид натрия, потому что ионы рубидия и иодида больше, чем ионы натрия и хлорида. Между более крупными ионами меньше притяжения, поэтому для их разделения требуется меньше тепловой энергии.

Кристаллы хлорида натрия хрупкие

Хрупкость снова типична для ионных веществ. Представьте себе, что произойдет с кристаллом, если приложить напряжение, которое слегка сдвинет ионные слои.

Ионов с одинаковым зарядом сводятся бок о бок, и кристалл разлетается на части!

Хлорид натрия растворим в воде

Многие твердые ионные вещества растворимы в воде, но не все. Это зависит от того, существует ли достаточно большое притяжение между молекулами воды и ионами, чтобы преодолеть притяжение между самими ионами.Положительные ионы притягиваются к неподеленным парам на молекулах воды, и могут образовываться координационные (дативные ковалентные) связи. Молекулы воды образуют водородные связи с отрицательными ионами.

Хлорид натрия не растворяется в органических растворителях

Это также типично для ионных твердых тел. Притяжения между молекулами растворителя и ионами недостаточно велики, чтобы преодолеть притяжения, удерживающие кристалл вместе.

Электрическое поведение хлорида натрия

Твердый хлорид натрия не проводит электричество, потому что в нем нет свободных электронов.Когда он плавится, хлорид натрия подвергается электролизу, который включает в себя проводимость электричества из-за движения и разряда ионов. При этом производятся натрий и хлор. Это химическое изменение, а не физический процесс.

Положительные ионы натрия движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду). Когда они попадают туда, каждый ион натрия захватывает электрон с электрода, образуя атом натрия. Они всплывают в верхнюю часть расплава в виде расплавленного металлического натрия.- \ rightarrow Na \]

При движении электронов от катода к ионам натрия на катоде остаются пустоты. Источник питания (батарея или что-то еще) перемещает электроны по проводу во внешней цепи, чтобы заполнить эти пространства. Этот поток электронов можно рассматривать как электрический ток (внешняя цепь - это вся остальная часть цепи, кроме расплавленного хлорида натрия).

Между тем, ионы хлора притягиваются к положительному электроду (аноду). Когда они попадают туда, каждый хлорид-ион теряет электрон на анод, образуя атом.- \]

Новые электроны, осевшие на аноде, отводятся от внешнего контура источником питания, в конечном итоге попадая на катод, где они передаются ионам натрия. Расплавленный хлорид натрия проводит электричество из-за движения ионов в расплаве и разряда ионов на электродах. И то, и другое должно произойти, если вы хотите, чтобы электроны текли во внешней цепи. В твердом хлориде натрия, конечно, этого движения ионов не может произойти, и это останавливает любую возможность протекания тока в цепи.

,

энтальпия решетки (энергия решетки)

РЕШЕТЧАТАЯ ЭНТАЛЬПИЯ (РЕШЁТЧНАЯ ЭНЕРГИЯ)

 

На этой странице представлены энтальпии решетки (энергии решетки) и циклы Борна-Габера.

Энтальпия решетки и энергия решетки обычно используются так, как если бы они означают одно и то же - вы часто найдете оба термина, используемые в одной и той же статье учебника или на веб-сайте, в том числе на университетских сайтах.

Фактически, между ними существует разница, которая связана с условиями, при которых они рассчитываются.Однако разница мала и ничтожна по сравнению с разными значениями энтальпии решетки, которые вы найдете из разных источников данных.

Если вы не продолжите изучать химию на уровне ученой степени, разница между этими двумя терминами вряд ли вас беспокоит.


Примечание: Пока я писал этот раздел, разные значения для одного и того же фрагмента данных из разных источников сводили меня с ума, потому что нет простого способа узнать, какие данные являются самыми последними или наиболее точными.

В приведенных ниже циклах Борна-Габера я использовал числа, которые дают последовательный ответ, но, пожалуйста, не думайте, что они обязательно являются наиболее точными. Если вы проводите курс для подростков 16-18 лет, все это не имеет особого значения - вы просто используете цифры, которые вам даны.

Если вы воспользуетесь моей книгой по химическим расчетам, вы найдете несколько другой набор чисел. Они взяты из Книги данных по химии, изданной Старком и Уоллесом, опубликованной Джоном Мюрреем. Ценности этой уже довольно старой книги часто немного отличаются от более поздних источников.

Не беспокойтесь об этом. Это никак не влияет на принципы. Только не думайте, что любой бит данных, который вам предоставлен (даже мной), обязательно "правильный"!



 

Что такое энтальпия решетки?

Два разных способа определения энтальпии решетки

Есть два разных способа определения энтальпии решетки, которые прямо противоречат друг другу, и вы найдете оба широко используемых.Фактически, есть простой способ разобраться в этом, но многие источники его не используют.

Я объясню, как вы можете это сделать, но сначала давайте посмотрим, как возникает проблема.

Энтальпия решетки - это мера силы сил между ионами в ионном твердом теле. Чем больше энтальпия решетки, тем сильнее силы.

Эти силы полностью разрушаются только тогда, когда ионы присутствуют в виде газообразных ионов, разбросанных так далеко друг от друга, что между ними существует незначительное притяжение.Вы можете показать это на простой диаграмме энтальпии.

Для хлорида натрия твердое вещество более стабильно, чем ионы газообразного вещества, на 787 кДж / моль -1 , и это показатель силы притяжения между ионами в твердом теле. Помните, что энергия (в данном случае тепловая энергия) выделяется, когда создаются связи, и она необходима для разрыва связей.

Итак, энтальпия решетки может быть описана двумя способами.

  • Вы можете описать это как изменение энтальпии, когда 1 моль хлорида натрия (или чего-то еще) образовался из его рассеянных газообразных ионов.Другими словами, вы смотрите на стрелку вниз на диаграмме.

    В случае хлорида натрия это будет -787 кДж / моль -1 .

  • Или вы можете описать это как изменение энтальпии, когда 1 моль хлорида натрия (или чего-то еще) распадается с образованием рассеянных газообразных ионов. Другими словами, вы смотрите на стрелку вверх на диаграмме.

    В случае хлорида натрия это будет +787 кДж / моль -1 .

Обе относятся к одной и той же диаграмме энтальпии, но одна рассматривает ее с точки зрения образования решетки, а другая - с точки зрения ее разрушения.

К сожалению, оба из них часто называют «энтальпией решетки».

 

Это абсурдно запутанная ситуация, которую легко разрешить. Я предлагаю вам никогда не использовать термин «энтальпия решетки» без его уточнения.

  • Вам следует говорить об «энтальпии диссоциации решетки», если вы хотите говорить о количестве энергии, необходимом для разделения решетки на рассеянные газообразные ионы.

    Для NaCl энтальпия диссоциации решетки составляет +787 кДж · моль -1 .

  • Вам следует говорить об «энтальпии образования решетки», если вы хотите говорить о количестве энергии, высвобождаемой при образовании решетки из рассеянных газообразных ионов.

    Для NaCl энтальпия образования решетки составляет -787 кДж · моль -1 .

Это немедленно устраняет любую возможность путаницы.

Итак. , ,

Энтальпия диссоциации решетки - это изменение энтальпии, необходимое для преобразования 1 моля твердого кристалла в его рассеянные газообразные ионы.Энтальпии диссоциации решетки всегда положительны.
 
Энтальпия образования решетки - это изменение энтальпии, когда 1 моль твердого кристалла образуется из его рассеянных газообразных ионов. Энтальпии образования решетки всегда отрицательны.

Примечание: Узнайте, какую из этих версий ваша программа, вероятно, хочет, чтобы вы знали (даже если они просто называют это «энтальпией решетки»), и сконцентрируйтесь на этой версии, но помните о путанице!

Между прочим, если вы когда-нибудь не уверены, какая версия используется, вы можете сказать это по знаку обсуждаемого изменения энтальпии.Если, например, знак положительный, он должен относиться к разрыву связей и, следовательно, к энтальпии диссоциации решетки.



 

Факторы, влияющие на энтальпию решетки

Двумя основными факторами, влияющими на энтальпию решетки, являются заряды ионов и ионные радиусы (которые влияют на расстояние между ионами).

Заряды на ионах

Хлорид натрия и оксид магния имеют точно такое же расположение ионов в кристаллической решетке, но энтальпии решетки сильно различаются.


Примечание: На этой диаграмме и аналогичных диаграммах ниже меня не интересует, определяется ли энтальпия решетки как положительное или отрицательное число - меня просто интересуют их относительные размеры. Строго говоря, поскольку я не добавил знак к вертикальной оси, значения относятся к энтальпиям диссоциации решетки. Если вы предпочитаете энтальпию образования решетки, просто мысленно поставьте перед каждым числом отрицательный знак.


Вы можете видеть, что энтальпия решетки оксида магния намного больше, чем у хлорида натрия. Это потому, что в оксиде магния ионы 2+ притягивают ионы 2-; в хлориде натрия притяжение составляет только между ионами 1+ и 1-.

 

Радиус ионов

Энтальпия решетки оксида магния также увеличивается по сравнению с хлоридом натрия, потому что ионы магния меньше ионов натрия, а ионы оксидов меньше ионов хлорида.

Это означает, что ионы расположены ближе друг к другу в решетке, и это увеличивает силу притяжения.

Вы также можете увидеть влияние размера иона на энтальпию решетки, спускаясь по группе вниз в Периодической таблице.

Например, когда вы переходите от фтора к йоду вниз по группе 7 Периодической таблицы, вы ожидаете, что энтальпии решетки их натриевых солей будут падать по мере того, как отрицательные ионы становятся больше - и это так:

Притяжение определяется расстоянием между центрами противоположно заряженных ионов, и это расстояние, очевидно, тем больше, чем больше отрицательный ион.

И вы можете увидеть точно такой же эффект, когда вы спускаетесь по группе 1. Следующая гистограмма показывает энтальпии решетки хлоридов группы 1.


Примечание: Чтобы избавить кого-либо от необходимости связываться со мной, чтобы указать на это, было бы не совсем справедливо включать хлорид цезия в этот список. Хлорид цезия имеет другое расположение ионов в кристалле, что мало влияет на энтальпию решетки.Эффект достаточно мал, чтобы фактически не повлиять на тренд.


 

Расчет энтальпии решетки

Невозможно измерить изменение энтальпии, начиная с твердого кристалла и конвертируя его в его рассеянные газообразные ионы. Еще труднее представить, как можно было бы сделать обратное - начать с рассеянных газообразных ионов и измерить изменение энтальпии, когда они преобразуются в твердый кристалл.

Вместо этого всегда необходимо рассчитывать энтальпии решетки, и это можно сделать двумя совершенно разными способами.

Вы можете использовать цикл закона Гесса (в данном случае называемый циклом Борна-Габера), включающий изменения энтальпии, которые можно измерить . Рассчитанные таким образом энтальпии решетки описываются как экспериментальные значения.

Или вы можете провести расчеты в стиле физики, выясняя, сколько энергии будет высвобождено, например, когда ионы, рассматриваемые как точечные заряды, объединяются в решетку.Они описаны как теоретические значения. Фактически, в этом случае то, что вы фактически вычисляете, правильно описывается как энергия решетки .


Примечание: Если вы не уверены в циклах закона Гесса, вам следует перейти по этой ссылке перед тем, как продолжить: Essential .


Экспериментальные значения - циклы Борна-Габера

Стандартные энтальпии распыления

Прежде чем мы начнем говорить о циклах Борна-Габера, есть дополнительный термин, который нам нужно определить.То есть энтальпия распыления , ΔH ° a .

Стандартная энтальпия атомизации - это изменение энтальпии, когда 1 моль газообразных атомов образуется из элемента в его стандартном состоянии. Изменение энтальпии распыления всегда положительное.

Вам всегда придется подавать энергию, чтобы разбить элемент на отдельные газообразные атомы.

Все следующие уравнения представляют изменения, связанные с энтальпией распыления:

Обратите особое внимание на то, что «моль -1 » дается на моль образованных атомов, а НЕ на моль элемента, с которого вы начинаете.Довольно часто вам придется записывать дроби в левую часть уравнения. Сделать это неправильно - распространенная ошибка.

 

Циклы Борна-Габера

Я собираюсь начать с рисования цикла Борна-Габера для хлорида натрия, а затем тщательно его обсудить. Вы увидите, что я произвольно решил изобразить это для энтальпии образования решетки. Если бы вы хотели изобразить его для энтальпии диссоциации решетки, красная стрелка была бы перевернута - указывала вверх.

 

 

Сфокусируйтесь для начала на верхней из двух более толстых горизонтальных линий. Мы начинаем здесь с элементов натрия и хлора в их стандартных состояниях. Обратите внимание, что нам нужна только половина моля газообразного хлора, чтобы получить 1 моль NaCl.

Стрелка, направленная вниз от этой линии к нижней толстой линии, представляет изменение энтальпии образования хлорида натрия.

Цикл Борна-Габера теперь представляет собой образование хлорида натрия как происходящее в целом ряде небольших изменений, для большинства из которых нам известны изменения энтальпии - за исключением, конечно, энтальпии решетки, которую мы хотим вычислить.

  • +107 - энтальпия распыления натрия. Мы должны произвести газообразные атомы, чтобы использовать следующую стадию цикла.

  • +496 - это первая энергия ионизации натрия. Помните, что первые энергии ионизации переходят от газовых атомов к газообразным однозарядным положительным ионам.

  • +122 - энтальпия распыления хлора. Опять же, мы должны произвести газообразные атомы, чтобы мы могли использовать следующую стадию цикла.

  • -349 - первое сродство к электрону хлора. Помните, что первое сродство к электрону передается от газообразных атомов к газообразным однозарядным отрицательным ионам.

  • И, наконец, у нас есть положительные и отрицательные газообразные ионы, которые мы можем преобразовать в твердый хлорид натрия, используя энтальпию образования решетки.


Примечание: Если вы забыли об энергиях ионизации или сродстве к электрону, перейдите по этим ссылкам, прежде чем продолжить.


Теперь мы можем использовать закон Гесса и найти два разных маршрута вокруг диаграммы, которые мы можем приравнять.

Как я нарисовал, два маршрута очевидны. Схема настроена так, чтобы между жирными линиями отображались два разных маршрута.

Итак, вот снова цикл с вычислением прямо под ним. , ,

-411 = +107 + 496 + 122-349 + LE

LE = -411 - 107 - 496 - 122 + 349

LE = -787 кДж моль -1


Примечание: Обратите внимание, что в расчетах мы не делаем никаких предположений о знаке энтальпии решетки (несмотря на то, что он явно отрицательный, потому что стрелка указывает вниз).В первой строке расчета я только что написал «+ LE» и оставил это на усмотрение расчета, чтобы определить, что это отрицательный ответ.


Как бы это было по-другому, если бы вы нарисовали на диаграмме энтальпию диссоциации решетки? (Возможно, потому, что это то, чего требует ваша программа.)

Теперь ваша диаграмма будет выглядеть так:

Единственное различие на диаграмме - это направление стрелки энтальпии решетки.Это, конечно, означает, что вам нужно найти два новых маршрута. Вы не можете использовать исходный, потому что это будет противоречить направлению стрелки энтальпии решетки.

На этот раз оба маршрута начнутся с элементов в их стандартных состояниях и закончатся у газообразных ионов.

–411 + LE = +107 + 496 + 122–349

LE = +107 + 496 + 122–349 + 411

LE = +787 кДж моль -1

И снова цикл сортирует за вас знак энтальпии решетки.


Примечание: Вы найдете больше примеров расчетов с использованием циклов Борна-Габера в моей книге расчетов по химии. Сюда входят и более сложные циклы с участием, например, оксидов.

Если вы сравните цифры в книге с приведенными выше цифрами для NaCl, вы обнаружите небольшие различия - основной причиной является сродство хлора к электрону, хотя есть и другие небольшие отличия. Не беспокойтесь об этом - значения в книге взяты из более старого источника данных.На экзамене вы просто будете использовать заданные вами значения, так что это не проблема.



Теоретические значения энергии решетки

Предположим, что соединение полностью ионное. Предположим также, что ионы являются точечными зарядами - другими словами, что заряд сосредоточен в центре иона. Выполняя вычисления в стиле физики, можно рассчитать теоретическое значение ожидаемой энергии решетки.

И нет - я не забываю об этом! Расчеты такого рода заканчиваются значениями энергии решетки , а не энтальпии решетки . Если вы знаете, как это сделать, вы можете довольно легко конвертировать между ними.

Существует несколько различных уравнений различной степени сложности для вычисления энергии решетки таким способом. От вас не ожидается, что вы сможете выполнять эти вычисления на этом уровне, но вы можете ожидать, что прокомментируете их результаты.

Есть две возможности:

  • Имеется разумное согласие между экспериментальным значением (рассчитанным по циклу Борна-Габера) и теоретическим значением.

    Хлорид натрия - вот такой случай - теоретические и экспериментальные значения совпадают с точностью до нескольких процентов. Это означает, что для хлорида натрия предположения о том, что твердое вещество является ионным, достаточно хороши.

  • Экспериментальные и теоретические значения не совпадают.

    Часто цитируемым примером этого является хлорид серебра AgCl. В зависимости от того, откуда вы получаете свои данные, теоретическое значение энтальпии решетки для AgCl примерно на 50–150 кДж / моль -1 меньше значения, полученного по циклу Борна-Габера.

    Другими словами, рассмотрение AgCl как 100% ионного вещества значительно занижает его энтальпию решетки.

    Объяснение заключается в том, что хлорид серебра на самом деле имеет значительное количество ковалентных связей между серебром и хлором, потому что между ними недостаточно разницы в электроотрицательности, чтобы обеспечить полный перенос электрона от серебра к хлору.

Сравнение экспериментальных (цикл Борна-Габера) и теоретических значений энтальпии решетки - хороший способ оценить, насколько кристалл чисто ионный.


Примечание: Если вы забыли об электроотрицательности, возможно, вам стоит пересмотреть его сейчас, перейдя по этой ссылке.


 

Почему хлорид магния MgCl 2 ?

Этот раздел может выходить за рамки того, что требует ваша программа.Прежде чем тратить на это время, проверьте свою программу (а также, если возможно, прошлые экзаменационные работы), чтобы убедиться в этом.

Возникает вопрос, почему с энергетической точки зрения хлорид магния представляет собой MgCl 2 , а не MgCl или MgCl 3 (или любую другую формулу, которую вы можете выбрать).

Оказывается, MgCl 2 - это формула соединения, которое имеет наиболее отрицательное изменение энтальпии образования - другими словами, оно является наиболее устойчивым по отношению к элементам магнию и хлору.

Давайте посмотрим на это с точки зрения циклов Борна-Габера.

В циклах на этот раз мы заинтересованы в том, чтобы выяснить, каким будет изменение энтальпии образования для воображаемых соединений MgCl и MgCl 3 .

Это означает, что нам придется использовать теоретические значения энтальпий их решетки. Мы не можем использовать экспериментальные, потому что этих соединений явно не существует!

Я беру теоретические значения энтальпии решетки для этих соединений, которые я нашел в Интернете.Я не могу подтвердить это, но все другие значения, использованные этим источником, были точными. Точные значения в любом случае не имеют большого значения, потому что результаты очень четкие.

Мы начнем с соединения MgCl, потому что этот цикл точно такой же, как и цикл NaCl, который мы уже рассмотрели.

 

Цикл Борна-Габера для MgCl

Найдите два пути вокруг этого, не встречая стрелок против течения. Это просто:

ΔH f = +148 + 738 + 122 - 349 - 753

ΔH f = -94 кДж моль -1

Таким образом, соединение MgCl определенно энергетически более стабильно, чем его элементы.

Я очень грубо нарисовал этот цикл в масштабе, но это будет становиться все труднее и труднее, когда мы рассмотрим две другие возможные формулы. Итак, я собираюсь переписать его в виде таблицы.

Из диаграммы видно, что изменение энтальпии образования можно найти, просто сложив все другие числа в цикле, и мы можем сделать это точно так же в таблице.

кДж
энтальпия распыления Mg +148
1-й IE Mg +738

00 900 Энтальпия 9322012219

сродство к электрону Cl -349
энтальпия решетки -753
расчетное ΔH f -94
 

Цикл Борна-Габера для MgCl 2

Уравнение изменения энтальпии образования на этот раз:

Так как это меняет числа в цикле Борна-Габера?

  • Вам нужно добавить вторую энергию ионизации магния, потому что вы получаете ион 2+.

  • Вам нужно умножить энтальпию распыления хлора на 2, потому что вам нужно 2 моля газообразных атомов хлора.

  • Вам нужно умножить сродство хлора к электрону на 2, потому что вы получаете 2 моля хлорид-ионов.

  • Очевидно, вам нужно другое значение энтальпии решетки.

рассчитано ΔH f
кДж
энтальпия распыления Mg +148
1-й ИЭ Mg +738
2-й ИЭ

19 900 + 2
энтальпия атомизации Cl (x 2) +244
сродство к электрону Cl (x 2) -698
энтальпия решетки -253
-643

Вы можете видеть, что при производстве MgCl 2 выделяется гораздо больше энергии, чем при производстве MgCl.Это почему?

Вам нужно вложить больше энергии, чтобы ионизировать магний и получить ион 2+, но гораздо больше энергии выделяется в виде энтальпии решетки. Это потому, что между ионами 1- и 2+ существует более сильное ионное притяжение, чем между ионами 1- и 1+ в MgCl.

Так что насчет MgCl 3 ? Энергия решетки здесь была бы еще больше.

 

Цикл Борна-Габера для MgCl 3

Уравнение изменения энтальпии образования на этот раз:

Так как же это изменит числа в цикле Борна-Габера на этот раз?

  • Вам нужно добавить третью энергию ионизации магния, потому что вы получаете ион 3+.

  • Вам нужно умножить энтальпию распыления хлора на 3, потому что вам нужно 3 моля газообразных атомов хлора.

  • Вам нужно умножить сродство хлора к электрону на 3, потому что вы получаете 3 моля хлорид-ионов.

  • Вам снова нужно другое значение энтальпии решетки.

кДж
энтальпия распыления Mg +148
1-й ИЭ Mg +738
2-й ИЭ

19 900 + 2
3-й ИЭ Mg +7733
энтальпия атомизации Cl (x 3) +366
сродство к электрону Cl (x 3) -1047
энтальпия решетки -5440
расчетная ΔH f +3949

На этот раз соединение чрезвычайно энергетически нестабильно как по отношению к его элементам, так и по отношению к другим соединениям, которые могут образоваться.Чтобы получить 1 моль MgCl 3 , вам потребуется около 4000 кДж!

Посмотрите внимательно на причину этого. Энтальпия решетки является самой высокой для всех этих возможных соединений, но она недостаточно высока, чтобы компенсировать очень большую третью энергию ионизации магния.

Почему третья энергия ионизации такая большая? Первые два электрона, которые нужно удалить из магния, приходят с уровня 3s. Третий идет от 2п. Он находится ближе к ядру, и ему также не хватает экранирующего слоя - и для его удаления требуется гораздо больше энергии.

3s-электроны экранированы от ядра электронами 1-го и 2-го уровней. Электроны 2p экранируются только уровнем 1 (плюс небольшая помощь со стороны 2s электронов).

 

Заключение

Хлорид магния - это MgCl 2 , потому что это комбинация магния и хлора, которая дает наиболее энергетически стабильное соединение - соединение с наиболее отрицательным изменением энтальпии образования.

 
 

Куда бы вы сейчас хотели пойти?

В меню химической энергетики., ,

В меню «Физическая химия». , ,

В главное меню. , ,

 

© Джим Кларк, 2010 (изменено в июле 2013 г.)

.

21,5: Энергия решетки кристаллов

Цели обучения

  • Чтобы понять взаимосвязь между энергией решетки и физическими свойствами ионного соединения.
  • Использовать цикл Борна – Габера для расчета энергии решетки.

Напомним, что реакция металла с неметаллом обычно дает ионное соединение; то есть электроны передаются от металла (восстановитель ) к неметаллу (окислитель ).Ионные соединения обычно представляют собой жесткие, хрупкие кристаллические вещества с плоскими поверхностями, пересекающимися под характерными углами. Их нелегко деформировать, и они плавятся при относительно высоких температурах. \ (\ ce {NaCl} \), например, плавится при 801 ° C. Эти свойства являются результатом регулярного расположения ионов в кристаллической решетке и сильных электростатических сил притяжения между ионами с противоположными зарядами.

В то время как образование ионных пар из изолированных ионов высвобождает большое количество энергии, еще больше энергии выделяется, когда эти ионные пары конденсируются, образуя упорядоченный трехмерный массив.В таком расположении каждый катион в решетке окружен более чем одним анионом (обычно четырьмя, шестью или восемью) и наоборот, поэтому он более стабилен, чем система, состоящая из отдельных пар ионов, в которой есть только один катион-анионное взаимодействие в каждой паре. Обратите внимание, что r 0 могут различаться для газофазного димера и решетки.

Ионная решетка более устойчива, чем система, состоящая из отдельных ионных пар.

Расчет (ионной) энергии решетки

Энергию решетки почти любого ионного твердого тела можно довольно точно рассчитать с использованием модифицированной формы закона Кулона :

\ [U = - \ dfrac {k′Q_1Q_2} {r_0} \ label {21.{−n} (g)} \; \; \; ΔH \ приблизительно U \ label {21.5.2} \]

Как и раньше, Q 1 и Q 2 - это заряды на ионах, а r 0 - межъядерное расстояние. Из уравнения \ (\ ref {21.5.1} \) видно, что энергия решетки напрямую связана с произведением зарядов ионов и обратно пропорциональна межъядерному расстоянию. Значение константы k ′ зависит от конкретного расположения ионов в твердой решетке и их конфигураций валентных электронов.Типичные значения рассчитанных энергий решетки, которые варьируются от 600 до 10 000 кДж / моль, перечислены в таблице \ (\ PageIndex {1} \). Энергия такой величины может иметь решающее значение при определении химического состава элементов.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Типичные вычисленные энергии решетки
Вещество U (кДж / моль)
NaI 682
CaI 2 1971
MgI 2 2293
NaOH 887
Na 2 O 2481
NaNO 3 755
Ca 3 (PO 4 ) 2 10 602
CaCO 3 2804

Источник: данные CRC Handbook of Chemistry and Physics (2004).{2 -}} \) ионы) составляет 3795 кДж / моль.

Поскольку энергия решетки на обратно пропорциональна межъядерному расстоянию , она также обратно пропорциональна размеру ионов. Этот эффект проиллюстрирован на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), который показывает, что энергия решетки уменьшается для серий LiX, NaX и KX по мере увеличения радиуса X - . Поскольку r 0 в уравнении \ (\ ref {21.5.1} \) является суммой ионных радиусов катиона и аниона ( r 0 = r + + r - ), r 0 увеличивается по мере того, как катион становится больше в ряду, поэтому величина U уменьшается.Аналогичный эффект наблюдается, когда анион становится больше в серии соединений с одним и тем же катионом.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): График зависимости энергии решетки от идентичности галогенида для галогенидов лития, натрия и калия

Поскольку ионные радиусы катионов уменьшаются в порядке K + > Na + > Li + для данного галогенид-иона энергия решетки плавно уменьшается от Li + до K + . И наоборот, для данного иона щелочного металла фторидная соль всегда имеет самую высокую энергию решетки, а йодидную соль - самую низкую.

Энергия решетки наиболее высока для веществ с небольшими высокозарядными ионами.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Расположите GaP, BaS, CaO и RbCl в порядке увеличения энергии решетки.

Дано: четыре соединения

Запрошено: Порядок увеличения энергии решетки

Стратегия:

Используя уравнение \ (\ ref {21.5.1} \), предскажите порядок энергий решетки на основе зарядов на ионах.Для соединений с ионами с одинаковым зарядом используйте относительные размеры ионов, чтобы сделать это предсказание.

Решение:

Соединение GaP, которое используется в полупроводниковой электронике, содержит ионы Ga 3 + и P 3-; соединение BaS содержит ионы Ba 2 + и S 2-; соединение CaO содержит ионы Ca 2 + и O 2-; и соединение RbCl содержит ионы Rb + и Cl -.Из уравнения \ (\ ref {21.5.1} \) мы знаем, что энергия решетки прямо пропорциональна произведению зарядов ионов. Следовательно, мы ожидаем, что RbCl с членом (−1) (+ 1) в числителе будет иметь самую низкую энергию решетки, а GaP, с членом (+3) (- 3), самую высокую. Чтобы решить, у BaS или CaO большая энергия решетки, мы должны учитывать относительные размеры ионов, потому что оба соединения содержат ион металла +2 и ион халькогенида -2. Поскольку Ba 2 + находится ниже Ca 2 + в периодической таблице, Ba 2 + больше, чем Ca 2 + .Точно так же S 2- больше, чем O 2-. Поскольку катион и анион в BaS больше, чем соответствующие ионы в CaO, межъядерное расстояние больше в BaS, а энергия его решетки будет ниже, чем у CaO. Порядок увеличения энергии решетки: RbCl

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Расположите InAs, KBr, LiCl, SrSe и ZnS в порядке уменьшения энергии решетки.

Ответ

InAs> ZnS> SrSe> LiCl> KBr

Энергия решетки также зависит от кристаллической структуры

Есть много других факторов, которые необходимо учитывать, например, ковалентный характер и электрон-электронные взаимодействия в ионных твердых телах.Но для простоты давайте рассмотрим ионные твердые тела как совокупность положительных и отрицательных ионов. С этой простой точки зрения соответствующее количество катионов и анионов объединяются, чтобы сформировать твердое тело. Положительные ионы испытывают притяжение и отталкивание от ионов противоположного заряда и ионов того же заряда.

В качестве примера рассмотрим кристалл NaCl. В следующем обсуждении предположим, что r - это расстояние между ионами Na + и Cl - . Ближайшими соседями Na + являются 6 ионов Cl - на расстоянии 1 r , 12 ионов Na + на расстоянии 2 r , 8 Cl - на расстоянии 3 r , 6 Na + при 4 r , 24 Na + при 5 r и т. Д.2} {4 \ pi \ epsilon_or} M \ label {12.5.4} \]

Постоянная Маделунга \ (M \) названа в честь Эрвина Меделунга, немецкого физика, и представляет собой геометрический фактор, который зависит от расположения ионов в твердом теле. Для NaCl - это плохо сходящийся ряд энергий взаимодействия:

\ [M = \ dfrac {6} {1} - \ dfrac {12} {2} + \ dfrac {8} {3} - \ dfrac {6} {4} + \ dfrac {24} {5}. .. \ label {21.5.5} \]

с

  • \ (Z \) - количество зарядов ионов (например, 1 для NaCl),
  • \ (e \) - заряд электрона (\ (1.{-19} \; С \)),
  • \ (4 \ pi \ epsilon_o \) равно 1,11265x10 -10 C 2 / (Дж · м).

Константа Маделунга зависит от типа структуры, и уравнение \ (\ ref {21.5.5} \) применимо только для геометрии решетки хлорида натрия (например, каменной соли). Другие значения для других структурных типов приведены в Таблице \ (\ PageIndex {2} \). A - это количество анионов, координированных с катионом, а C - это количество катионов, координированных с анионом.

Таблица \ (\ PageIndex {2} \): Константы Маделунга
Соединение Кристаллическая решетка M А: К Тип
NaCl NaCl 1.74756 6: 6 Соль каменная
CsCl CsCl 1,76267 6: 6 CsCl типа
CaF 2 кубический 2,51939 8: 4 Флюорит
CdCl 2 Гексагональный 2.244
MgF 2 Тетрагональный 2,381
ZnS (вюрцит) Гексагональный 1.64132
TiO 2 (рутил) Тетрагональный 2.408 6: 3 Рутил
бSiO 2 Гексагональный 2,2197
Al 2 O 3 Ромбоэдрический 4,1719 6: 4 Корунд

A - количество анионов, координированных с катионом, а C - количество катионов, координированных с анионом.

Существуют и другие факторы, которые необходимо учитывать при оценке энергии решетки, и рассмотрение Максом Борном и Альфредом Ланде привело к формуле для оценки энергии решетки для моля кристаллического твердого вещества . Уравнение Борна – Ланде (Equation \ (\ ref {21.5.6} \)) является средством вычисления энергии решетки кристаллического ионного соединения и выводится из электростатического потенциала ионной решетки и члена потенциальной энергии отталкивания

\ [U = \ dfrac {N_A M Z ^ 2e ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_o r} \ left (1 - \ dfrac {1} {n} \ right) \ label {21.5.6} \]

где

  • N A - постоянная Авогадро;
  • M - постоянная Маделунга для решетки
  • z + - это зарядовое число катиона
  • z - - зарядовое число аниона
  • e - элементарный заряд, 1.6022 × 10 −19 C
  • ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства
  • r 0 - расстояние до ближайшего иона
  • \ (n \) - показатель Борна, который обычно находится между 5 и 12 и определяется экспериментально.\ (n \) - это число, относящееся к электронной конфигурации участвующих ионов (Таблица \ (\ PageIndex {3} \)).
Таблица \ (\ PageIndex {3} \): \ (n \) значения для выбранных тел
Атом / молекула n
He 5
Ne 7
Ар 9
Kr 10
Xe 12
LiF 5.9
LiCl 8,0
LiBr 8,7
NaCl 9,1
NaBr 9,5

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Оцените энергию решетки NaCl.

Решение
Используя значения, приведенные в обсуждении выше, оценка дается как

\ [\ begin {align *} U_ {NaCl} & = \ dfrac {(6.{-12} \; m)} \ left (1 - \ dfrac {1} {9.1} \ right) \\ [4pt] & = - 756 кДж / моль \ end {align *} \]

ОБСУЖДЕНИЕ

Для точной оценки энергии решетки необходимо учитывать гораздо больше, но вышеприведенный расчет дает хорошее начало. Когда методы оценки энергии кристаллизации или энергии решетки приводят к надежным значениям, эти значения могут использоваться в цикле Борна-Хейбла для оценки других химических свойств, например сродства к электрону, которое действительно трудно определить непосредственно экспериментально.

Связь между энергией решетки и физическими свойствами

Величина сил, удерживающих вместе ионное вещество, оказывает драматическое влияние на многие его свойства. Например, точка плавления - это температура, при которой отдельные ионы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы притяжения, удерживающие их на месте. В точке плавления ионы могут свободно перемещаться, и вещество становится жидкостью. Таким образом, температуры плавления зависят от энергии решетки ионных веществ, которые имеют аналогичную структуру.Точки плавления галогенидов натрия (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)), например, плавно уменьшаются от NaF до NaI, следуя той же тенденции, что и для их энергий решетки (рисунок \ (\ PageIndex {1} \) )). Точно так же точка плавления MgO составляет 2825 ° C по сравнению с 996 ° C для NaF, что отражает более высокие энергии решетки, связанные с более высокими зарядами на ионах. Фактически, из-за своей высокой температуры плавления MgO используется в качестве электрического изолятора в нагревательных элементах для электрических плит.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): График точки плавления в зависимости от идентичности галогенида для галогенидов натрия.Точки плавления соответствуют той же тенденции, что и величина энергии решетки на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

Твердость ионных материалов, то есть их устойчивость к царапинам или истиранию, также связана с их энергией решетки. Твердость напрямую связана с тем, насколько плотно ионы удерживаются вместе электростатически, что, как мы видели, также отражается на энергии решетки. Например, MgO тверже NaF, что согласуется с его более высокой энергией решетки.

Помимо определения температуры плавления и твердости, энергия решетки влияет на растворимость ионных веществ в воде.Как правило, чем выше энергия решетки, тем менее растворимо соединение в воде . Например, растворимость NaF в воде при 25 ° C составляет 4,13 г / 100 мл, но в тех же условиях растворимость MgO составляет всего 0,65 мг / 100 мл, что означает, что он практически нерастворим.

Высокая энергия решетки приводит к образованию твердых нерастворимых соединений с высокими температурами плавления.

Цикл Борна – Габера

В принципе, энергии решетки можно измерить, объединив газообразные катионы и анионы с образованием ионного твердого вещества, а затем измерив выделяющееся тепло.К сожалению, измеримые количества газообразных ионов никогда не были получены в условиях, когда можно было бы измерить тепловой поток. Вместо этого энергии решетки находятся с использованием экспериментально определенных изменений энтальпии для других химических процессов, закона Гесса и термохимического цикла , называемого циклом Борна – Габера. Разработанный Максом Борном и Фрицем Габером в 1919 году, цикл Борна – Габера описывает процесс, в котором ионное твердое вещество концептуально образуется из составляющих его элементов ступенчатым образом.

Давайте воспользуемся циклом Борна – Габера для определения энергии решетки \ (\ ce {CsF (s)} \). \ (\ ce {CsF} \) - почти идеальное ионное соединение, потому что \ (\ ce {Cs} \) - наименее электроотрицательный элемент, который не является радиоактивным, а F - наиболее электроотрицательный элемент. Чтобы построить термохимический цикл образования \ (\ ce {CsF} \), нам нужно знать его энтальпию образования Δ H f , которая определяется следующей химической реакцией:

\ [2Cs _ {(s)} + F_ {2 (g)} \ rightarrow 2CsF _ {(s)} \ label {21.5.7} \]

Поскольку энтальпия является функцией состояния, общее значение \ (ΔH \) для ряда r

.

ионных структур

Расположение ионов в хлориде натрия

Хлорид натрия - это типичное ионное соединение. Подобные соединения состоят из гигантской (бесконечно повторяющейся) решетки ионов. Итак, хлорид натрия (и любое другое ионное соединение) описывается как имеющий гигантскую ионную структуру .

Вы должны понимать, что гигант в этом контексте не означает просто очень большой. Это означает, что вы не можете точно сказать, сколько там ионов.

Там могут быть миллиарды ионов натрия и ионов хлора, упакованные вместе, или триллионы, или что-то еще - это просто зависит от размера кристалла. Это отличается, скажем, от молекулы воды, которая всегда содержит ровно 2 атома водорода и один атом кислорода - никогда больше и не меньше.

Небольшой образец решетки хлорида натрия выглядит так:

Если вы внимательно посмотрите на диаграмму, вы увидите, что ионы натрия и ионы хлора чередуются друг с другом в каждом из трех измерений.

Эту диаграмму достаточно легко нарисовать на компьютере, но очень трудно убедительно нарисовать от руки. Обычно мы рисуем "разобранную" версию, которая выглядит так:

Только ионы, соединенные линиями, действительно касаются друг друга. Иона натрия в центре касаются 6 ионов хлора. Случайно мы могли бы с таким же успехом сосредоточить диаграмму вокруг иона хлорида - к которому, конечно, прикоснулись бы 6 ионов натрия. Хлорид натрия описывается как с координатами 6: 6.

Вы должны помнить, что эта диаграмма представляет только крошечную часть всего кристалла хлорида натрия. Таким образом, картина повторяется на бесчисленном множестве ионов.

 

Как нарисовать эту структуру

Нарисуйте идеальный квадрат:

Теперь нарисуйте идентичный квадрат позади этого и немного сместите его. Возможно, вам придется немного попрактиковаться, чтобы правильно расположить два квадрата. Если вы ошиблись, ионы запутаются друг с другом на последней диаграмме.

Превратите это в идеальный куб, соединив квадраты вместе:

А теперь самое сложное! Разделите этот большой куб на 8 маленьких кубиков, соединив среднюю точку каждого ребра со средней точкой противоположного ему ребра. Чтобы завершить процесс, вам также нужно будет соединить среднюю точку каждой грани (которую легко найти, когда вы соединили края) со средней точкой противоположной грани.

Теперь все, что вам нужно сделать, это ввести ионы.Используйте разные цвета или разные размеры для двух разных ионов и не забудьте ключ. Неважно, окажетесь ли вы в центре куба ионом натрия или ионом хлорида - важно лишь то, что они чередуются во всех трех измерениях.

Вы сможете нарисовать совершенно адекватный набросок от руки менее чем за две минуты - менее одной минуты, если вы не слишком привередливы!

 

Почему хлорид натрия 6: 6 согласован?

Чем сильнее притяжение положительных и отрицательных ионов, тем больше выделяется энергии.Чем больше выделяется энергии, тем более устойчивой становится структура.

Это означает, что для достижения максимальной устойчивости вам потребуется максимальное количество аттракционов. Так почему же каждый ион окружает себя 6 ионами противоположного заряда?

Это представляет собой максимальное количество ионов хлора, которое вы можете разместить вокруг центрального иона натрия, прежде чем ионы хлорида начнут соприкасаться друг с другом. Если они начнут соприкасаться, кристалл будет отталкиваться, что сделает его менее устойчивым.

,

Смотрите также