Kafes enerjisi - Lattice energy

Örgü enerjisi bir bir mol ayırmak için gerekli enerjidir iyonik bileşik gaz halinde kurucu iyonlarına. İyonları bağlayan kohezyon kuvvetlerinin bir ölçüsüdür. Kafes enerjisi, çözünürlük , sertlik ve uçuculuk dahil olmak üzere birçok pratik özellik ile ilgilidir . Kafes enerjisi genellikle Born-Haber döngüsünden çıkarılır .

Kafes enerjisi ve kafes entalpisi

Bir kristal kafesin oluşumu ekzotermiktir, yani ΔH _kafesinin değeri negatiftir çünkü iyonik kafes oluşturmak için vakumda sonsuz olarak ayrılmış gaz halindeki iyonların birleşmesine karşılık gelir .

Kafes enerjisi kavramı başlangıçta iyonların yüksek simetrili kristal kafes bölgelerini işgal ettiği NaCl ve ZnS gibi kaya tuzu yapılı ve sfalerit yapılı bileşikler için geliştirilmiştir . NaCl durumunda, kafes enerjisi reaksiyon tarafından salınan enerjidir.

Na ⁺ (g) + Cl ^- (g) → NaCl (s)

bu da -786 kJ/mol'e eşit olacaktır.

Molar kafes enerjisi ile molar kafes entalpisi arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle verilir:

${\displaystyle \Delta U=\Delta Hp\Delta V_{m}}$,

molar kafes enerjisi, molar kafes entalpisi ve mol başına hacmin değişimi nerede . Bu nedenle, kafes entalpisi , işin bir dış basınca karşı yapılması gerektiğini de hesaba katar . ${\görüntüleme stili\Delta U}$${\görüntüleme stili\Delta H}$${\displaystyle \Delta V_{m}}$${\görüntüleme stili p}$

Bazı ders kitapları ve yaygın olarak kullanılan CRC Kimya ve Fizik El Kitabı, kafes enerjisini (ve entalpiyi) zıt işaretle tanımlar, yani kristali vakumda sonsuz olarak ayrılmış gaz iyonlarına dönüştürmek için gereken enerji , endotermik bir işlem olarak. Bu kuralı takiben, NaCl'nin kafes enerjisi +786 kJ/mol olacaktır. Sodyum klorür gibi iyonik kristaller, demir gibi metaller veya elmas gibi kovalent olarak bağlı malzemeler için kafes enerjisi , nötr molekülleri yalnızca daha zayıf dipol-dipol veya van der ile etkileşime giren şeker veya iyot gibi katılardan önemli ölçüde daha büyüktür. Waals kuvvetleri .

teorik tedaviler

İyonik bir bileşiğin kafes enerjisi, katıyı oluşturan iyonların yüklerine bağlıdır. Daha incelikli olarak, iyonların bağıl ve mutlak boyutları ΔH _kafesini etkiler .

Born-Landé denklemi

1918'de Born ve Landé , kafes enerjisinin iyonik kafesin elektrik potansiyelinden ve bir itici potansiyel enerji teriminden türetilebileceğini öne sürdüler .

${\displaystyle E=-{\frac {N_{A}Mz^{+}z^{-}q_{e}^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}r_{0}}}\ sol(1-{\frac {1}{n}}\sağ),}$

nerede

K _bir olduğunu avagadro ;

M , kristalin geometrisi ile ilgili Madelung sabitidir ;

z ⁺ , katyonun şarj sayısıdır;

z ^- anyonun yük sayısıdır;

q, _E olduğu , temel yüktür , e eşit1.6022 × 10 ⁻¹⁹  C ;

ε ₀ olan boş alan dielektrik için eşit8.854 × 10 ⁻¹²  C ² J ⁻¹ m ⁻¹ ;

r ₀ en yakın iyona olan mesafedir; ve

n , katının sıkıştırılabilirliği ölçülerek deneysel olarak belirlenen veya teorik olarak türetilen 5 ile 12 arasında bir sayı olan Born üssüdür .

Doğum-LANDE denklemi göstermektedir bir bileşiğin örgü enerjisi bir dizi faktöre bağlıdır

• iyonlar üzerindeki yükler arttıkça kafes enerjisi artar (daha negatif olur),
• iyonlar birbirine daha yakın olduğunda kafes enerjisi artar (daha negatif olur)

Örneğin, NaCl yapısına ve dolayısıyla aynı Madelung sabitine sahip olan baryum oksit (BaO), 275 pikometrelik bir bağ yarıçapına ve -3054 kJ/mol bir kafes enerjisine sahipken, sodyum klorür (NaCl) bir bağ yarıçapına sahiptir. 283 pikometre ve -786 kJ/mol kafes enerjisi.

Kapustinskii denklemi

Kapustinskii denklemi yüksek hassasiyetli gerekli değildir kafes enerjileri türetilmesi daha basit bir yolu olarak kullanılabilir.

Polarizasyonun etkisi

Kristalografik nokta grupları C ₁ , C _{1 h} , C _n veya C _nv ( n = 2, 3, 4 veya 6) ile kafes bölgelerini işgal eden iyonlara sahip iyonik bileşikler için , kafes enerjisi kavramı ve Born-Haber döngüsü şu şekilde olmalıdır: Genişletilmiş. Bu durumlarda, polar kafes bölgelerindeki iyonlarla ilişkili polarizasyon enerjisi E _pol , Born-Haber döngüsüne dahil edilmelidir ve katı oluşum reaksiyonu, zaten polarize olmuş türlerden başlamalıdır. Bir örnek olarak, bir durum dikkate alınmıştır olabilir demir pirit FeS ₂ sülfür iyonlarının nokta simetrisi grubu örgü alanı işgal, C ₃ . Kafes enerjisi tanımlayan reaksiyon daha sonra okur

Fe ²⁺ (g) + 2 pol S ⁻ (g) → FeS ₂ (s)

burada pol S ^- polarize, gaz halindeki kükürt iyonu anlamına gelir. Etkinin ihmal edilmesinin , kükürt polarizasyon etkileri de dahil edildiğinde, FeS _2'nin teorik ve deneysel termodinamik çevrim enerjisi arasında sadece %2'ye düşen %15'lik farka yol açtığı gösterilmiştir .

Temsili kafes enerjileri

Aşağıdaki tablo, bazı yaygın bileşiklerin yanı sıra yapı tiplerinin kafes enerjilerinin bir listesini sunar.

Birleştirmek	Deneysel Kafes Enerjisi	Yapı türü	Yorum
LiF	-1030 kJ/mol	NaCl	hem katyon hem de anyon için daha fazla yük/yarıçap nedeniyle sodyum klorüre karşı fark
NaCl	-786 kJ/mol	NaCl	NaCl kafes için referans bileşik
NaBr	-747 kJ/mol	NaCl	NaCl'ye karşı daha zayıf kafes
NaI	-704 kJ/mol	NaCl	Asetonda çözünür, NaBr'ye karşı daha zayıf kafes
CsCl	-657 kJ/mol	CsCl	CsCl kafes için referans bileşik
CsBr	-632 kJ/mol	CsCl	trend vs CsCl gibi NaCl vs. NaBr
CSI	−600 kJ/mol	CsCl	trend vs CsCl gibi NaCl vs. NaI
MgO	-3795 kJ/mol	NaCl	M 2+ O 2- malzemeleri M + O − 'ye göre yüksek kafes enerjilerine sahiptir . MgO tüm çözücülerde çözünmez
CaO	-3414 kJ/mol	NaCl	M 2+ O 2- malzemeleri M + O − 'ye göre yüksek kafes enerjilerine sahiptir . CaO tüm çözücülerde çözünmez
SrO	-3217 kJ/mol	NaCl	M 2+ O 2- malzemeleri M + O − 'ye göre yüksek kafes enerjilerine sahiptir . SrO tüm çözücülerde çözünmez
MgF 2	-2922 kJ/mol	rutil	Mg 2+ O 2- ile kontrast
TiO 2	-12150 kJ/mol	rutil	TiO 2 ( rutil ) ve diğer bazı M 4+ (O 2- ) 2 bileşikleri refrakter malzemelerdir.

Ayrıca bakınız

• bağ enerjisi
• Doğum-Haber döngüsü
• Kimyasal bağ
• Madelung sabiti
• iyonik iletkenlik
• erime entalpisi
• Çözeltinin entalpi değişimi
• seyreltme ısısı

Notlar

Referanslar