В узлах кристаллической решетки хлорида калия располагаются


Кристаллические решетки, подготовка к ЕГЭ по химии

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH3, H2O, Cl2, CO2, N2, Br2, H2, I2. Особо хочется отметить красный и белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью - NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Примеры: NaCl, MgCl2, NH4Br, KNO3, Li2O, Na3PO4.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO2, B, Ge, SiC, Al2O3. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), черный фосфор (P).

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

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.  

 

энтальпия решетки (энергия решетки)

РЕШЁТНАЯ ЭНЕРГИЯ (LATTICE ENERGY)

 

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 сайтах университетов.

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 двумя терминами вряд ли вас беспокоит.


Примечание: Пока я писал этот раздел, разные значения для одного и того же фрагмента данных из разных источников данных 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 16-18-летних, все это не имеет особого значения - вы просто пользуетесь указанными числами.

Если вы воспользуетесь моей книгой по химическим расчетам, вы найдете несколько другой набор чисел. Они взяты из Книги данных по химии под редакцией Старка и Уоллеса, 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.

Сейчас я объясню, как 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 в газе, на 787 кДж моль. -1 , и это показатель силы притяжения между ионами в твердом теле. Помните, что энергия (в данном случае тепловая энергия) выделяется при образовании связей и 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 могли бы 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 один смотрит на нее с точки зрения образования решетки, а другой - с точки зрения ее разрушения.

К сожалению, оба они 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 превращения 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 знак положительный, например, 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 одинаковое 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 даны для энтальпий диссоциации решетки. Если вы предпочитаете энтальпию образования решетки, просто мысленно ставьте отрицательный знак перед каждым числом.


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 оксида меньше ионов хлорида.

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

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

Например, при переходе от фтора к йоду вниз по группе 7 Периодической таблицы можно ожидать, что энтальпия решетки их натриевых солей будет падать по мере увеличения количества отрицательных ионов - 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 вниз по группе 1. Следующая столбчатая диаграмма 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, образуя решетку.Они описаны как теоретические значения. Фактически, в этом случае то, что вы на самом деле 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 к нижней жирной 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. Нам нужно произвести газообразные атомы, чтобы мы могли использовать следующую стадию цикла.

  • +496 - 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 таким образом, 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, поскольку стрелка указывает вниз).В первой строке расчета я только что написал «+ LE» и оставил это вычислению, чтобы определить, что это отрицательный ответ.


Как бы это было по-другому, если бы вы изобразили 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 от 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 - главным виновником 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 используете 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.

    Обычно 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, чем значение, полученное по циклу Борна-Габера.

    Другими словами, рассмотрение AgCl как 100% ионного приводит к значительному занижению его энтальпии решетки.

    Объяснение состоит 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 требуется в вашей программе.Прежде чем тратить на это время, проверьте свой учебный план (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 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 обходных пути, не идя против течения стрелок. 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 он будет становиться все труднее и труднее, когда мы рассмотрим две другие возможные формулы. 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

00 Энтальпия атомизации 932207 900

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.

9000 + 2-й элемент Mg195000 + рассчитано ΔH f
кДж
энтальпия распыления Mg +148
1-й IE Mg +738
2-й IE

энтальпия атомизации Cl (x 2) +244
электронное сродство 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, чтобы 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.

932 900 + 2
кДж
энтальпия распыления Mg +148
1-й IE Mg +738
2-й IE

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 расположен 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 уровня. 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.)

.

Определение кристаллической решетки - химический словарь

Что такое решетка?

Решетка - это упорядоченный массив точек, описывающий расположение частиц, образующих кристалл.

Элементарная ячейка кристалла определяется узлами решетки. Элементарная ячейка - это самая маленькая часть кристалла, которая регулярно повторяется посредством трансляции в трех измерениях, и создается весь кристалл.

Например, показанное здесь изображение представляет собой элементарную ячейку примитивной кубической структуры.

В нарисованной структуре все частицы (желтые) одинаковы. В этом частном случае точки решетки, определяющие элементарную ячейку, совпадают с центрами частиц кристалла. Это не всегда так.

Ионная решетка

Если кристалл состоит из ионов, соединение можно описать как ионную решетку.

Хорошо известными примерами ионных решеток являются хлорид натрия, перманганат калия, бура (борат натрия) и сульфат меди (II).

Кристаллы перманганата калия. Изображение Бена Миллса.

Элементарная ячейка перманганата калия. Изображение Бена Миллса.

Ковалентная решетка

Если кристалл состоит из ковалентно связанных атомов, его можно описать как ковалентную решетку или бесконечную ковалентную решетку.

Хорошо известными примерами ковалентных решеток являются алмаз, кварц (диоксид кремния), кремний и серое олово.

Кристаллический кремний.Изображение Энрикорос.

Небольшая часть кристаллической структуры кремния.

Константы решетки

Постоянные решетки (или параметры решетки) - это длины и углы между краями элементарной ячейки.

На этой решетчатой ​​диаграмме параллелепипеда постоянные решетки - это a, b и c (длины) и α, β и γ (углы).

Решетчатые конструкции

Решетки Браве. На основе изображения Napy1 Kenobi.

Кристаллические материалы вписываются в одну из четырнадцати известных структур решетки. Они известны как решетки Браве .

Названия систем кристаллической решетки, соответствующие номерам на диаграммах, следующие:

1. Примитивная кубическая
2. Телоцентрированная кубическая
3. Гранецентрированная кубическая
4. Телоцентрированная четырехугольная
5. Телоцентрированная тетрагональная
6. Примитивная орторомбическая
7. Орторомбическая центрированная по основанию
8. Телоцентрированная орторомбическая
9.Орторомбическая форма с центрированием по граням
10. Примитивная моноклиническая схема
11. Моноклинная с центрированием по основанию
12. Триклиническая форма
13. Ромбоэдрическая форма
14. Шестиугольная

Дефекты решетки

Если предположить, что кристалл основан на математически совершенной ионной решетке, его расчетная прочность на растяжение была бы намного больше, чем наблюдается на самом деле.

Настоящие кристаллы имеют дефекты решетки, которые являются источниками слабости. Ионы, отсутствующие в ожидаемых местах, и ионы, занимающие необычные координационные узлы, являются примерами дефектов решетки.

Дефекты решетки также могут быть полезны, например, улучшая проводимость некоторых полупроводниковых материалов.


,

7.1: Кристаллическая структура - химия LibreTexts

Bravais Lattice

Решетка Браве - это основной строительный блок, из которого могут быть построены все кристаллы. Эта концепция возникла как топологическая проблема нахождения множества различных способов расположения точек в пространстве, где каждая точка будет иметь идентичную «атмосферу». То есть каждая точка будет окружена таким же набором точек, что и любая другая точка, так что все точки будут неотличимы друг от друга.Математик Огюст Браве обнаружил, что существует 14 различных наборов групп точек, которые известны как решетки Браве. Эти решетки делятся на семь различных «кристаллических систем», которые различаются соотношением между углами между сторонами «элементарной ячейки» и расстоянием между точками в элементарной ячейке. Элементарная ячейка - это наименьшая группа атомов, ионов или молекул. при повторении через равные промежутки времени в трех измерениях образуется решетка кристаллической системы.«Параметр решетки» - это длина между двумя точками по углам элементарной ячейки. Каждый из различных параметров решетки обозначается буквами a , b и c . Если две стороны равны, например, в тетрагональной решетке, то длины двух параметров решетки обозначаются a и c , при этом b опущено. Углы обозначаются греческими буквами α, β и γsize 12 {γ} {}, так что угол с определенной греческой буквой не перекрывается осью с ее римским эквивалентом.Например, α - это угол между осями b и c .

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) показывает различные кристаллические системы, а рисунок \ (\ PageIndex {1} \) показывает 14 решеток Браве. Важно различать характеристики каждой из отдельных систем. Пример материала, который принимает каждую из решеток Браве, показан в Таблице \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) Решетки Браве.
Кристаллическая система Пример
триклиника К 2 S 2 O 8
моноклинический As 4 S 4 , KNO 2
ромбоэдрический Hg, Sb
шестиугольник Zn, Co, NiAs
ромбический Ga, Fe 3 С
четырехугольный дюймов, TiO 2
куб. Au, Si, NaCl
Таблица \ (\ PageIndex {2} \) Примеры элементов и соединений, которые принимают каждую из кристаллических систем.

Кубическая решетка - самая симметричная из систем. Все углы равны 90 °, а все стороны имеют одинаковую длину ( a = b = c ). Для полного описания этой системы требуется только длина одной из сторон ( a ). Помимо простой кубической, кубическая решетка также включает в себя объемноцентрированную кубическую и гранецентрированную кубическую (рис. \ (\ PageIndex {1} \). Объемно-центрированная кубическая структура возникает из-за наличия атома (или иона) в центре куба, в дополнение к атомам (ионам), расположенным в вершинах куба.Аналогичным образом, гранецентрированный кубик требует, помимо атомов (ионов), расположенных в вершинах куба, наличия атомов (ионов) в центре каждой грани куба.

Тетрагональная решетка имеет все углы равные 90 ° и две из трех сторон равной длины ( a = b ). Система также включает в себя тетрагональную систему с центрированным телом (рис. \ (\ PageIndex {1} \).

В ромбической решетке все углы равны 90 °, а все ее стороны имеют неравную длину.Систему нужно описать только тремя параметрами решетки. Эта система также включает орторомбическую систему с центром в центре, орторомбическую с центром в центре и орторомбическую систему с центром в центре (рисунок \ (\ PageIndex {1} \).

Решетка с центром в основании имеет, помимо атомов (ионов), расположенных в вершинах орторомбической решетки, атомы (ионы), расположенные всего на двух противоположных гранях.

Ромбоэдрическая решетка, также известная как тригональная, не имеет углов, равных 90 °, но все стороны имеют одинаковую длину ( a = b = c ), поэтому требуется только один параметр решетки, и все три угла равны (α = β = γ).

Гексагональная кристаллическая структура имеет два угла, равные 90 °, а другой угол (размер γ 12 {γ} {}) равен 120 °. Для этого две стороны, окружающие угол 120 °, должны быть равны ( a = b ), а третья сторона ( c ) находится под углом 90 ° к другим сторонам и может иметь любую длину.

У моноклинной решетки нет сторон равной длины, но два угла равны 90 °, а другой угол (обычно определяемый как β) имеет значение, отличное от 90 °.Это наклонная призма-параллелограмм с прямоугольным основанием. Эта система также включает моноклинику с центром в основании (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).

В триклинной решетке ни одна из сторон элементарной ячейки не равна, и ни один из углов внутри элементарной ячейки не равен 90 °. Триклинная решетка выбирается так, чтобы все внутренние углы были либо острыми, либо тупыми. Эта кристаллическая система имеет самую низкую симметрию и должна описываться тремя параметрами решетки (a, b и c) и тремя углами (α, β и γ).

,

Смотрите также