Back to chapter

9.5:

Trends in Roosterenthalpie: Groote en Lading van Ionen

JoVE Core
Química
É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo.  Faça login ou comece sua avaliação gratuita.
JoVE Core Química
Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

Idiomas

COMPARTILHAR

Roosterenergie wordt geassocieerd met de vorming of scheiding van een ionrooster. Maar wanneer natriumchloride of magnesiumoxide wordt gevormd, verschilt hun roosterenergie aanzienlijk. Waarom heeft elke ionische verbinding een andere roosterenergie en van welke factoren is deze afhankelijk?Een ionische verbinding bestaat uit een geordende opstelling van een groot aantal geladen ionen die door elektrostatische interacties naar elkaar worden aangetrokken. Volgens de wet van Coulomb is de potentiële energie van twee ionen omgekeerd evenredig met de afstand tussen de ionen, die op zijn beurt afhangt van de ionenstraal. In het periodiek systeem neemt de ionenstraal van de alkali-en aardalkalimetalen toe verder naar beneden in de kolom.Naarmate de grootte van het metaalion toeneemt, wordt de afstand tussen de ionen of de bindingslengte ook groter. De bindingslengte van lithiumbromide en kaliumbromide verschilt bijvoorbeeld tussen respectievelijk 217 picometer en 282 picometer. Door de grotere internucleaire afstand neemt de aantrekkingskracht tussen de ionen af en wordt het veel gemakkelijker om de ionen te scheiden.De roosterenergie om vast lithiumbromide te scheiden is dus groter dan voor kaliumbromide, respectievelijk 807 kJ/mol versus 682 kJ/mol. Naast de ionenstraal hangt de grootte van de roosterenergie ook af van de ionenladingen. Volgens de wet van Coulomb is de potentiële energie van ionen recht evenredig met het product van hun ladingen.Denk aan twee ionische verbindingen natriumfluoride en calciumoxide. De ionische afstand in beide verbindingen is vergelijkbaar, maar de roosterenergie van calciumoxide is bijna vier keer groter dan die van natriumfluoride. Zowel natrium als fluoride zijn monovalente ionen;het product van hun lading is 1.Calcium-en oxide-ionen zijn echter divalent en het product van hun lading is 4, wat vier keer groter is dan natriumfluoride. Daarom kost het bijna vier keer zoveel energie om het calciumoxide in gasvormige ionen te scheiden in vergelijking met natriumfluoride. De grootte van de roosterenergie is dus recht evenredig met het product van de ionenladingen en omgekeerd evenredig met de afstand tussen de ionen.

9.5:

Trends in Roosterenthalpie: Groote en Lading van Ionen

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure of the strength of this attraction. The lattice energy (ΔHlattice) of an ionic compound is defined as the energy required to separate one mole of the solid into its component gaseous ions. For the ionic solid sodium chloride, the lattice energy is the enthalpy change of the process:

Eq1

Conventions

Here, the convention is used where the ionic solid is separated into ions, meaning the lattice energies will be endothermic (positive values). Another way is to use an equivalent but opposite convention, wherein the lattice energy is exothermic (negative values) and described as the energy released when ions combine to form a lattice. Thus, make sure to confirm which definition is used when looking up lattice energies in another reference. In both cases, a larger magnitude for lattice energy indicates a more stable ionic compound. For sodium chloride, ΔHlattice = 769 kJ. Thus, it requires 769 kJ to separate one mole of solid NaCl into gaseous Na+ and Cl ions. When one mole each of gaseous Na+ and Cl ions form solid NaCl, 769 kJ of heat is released.

Coulomb’s Law and Lattice Energy

The lattice energy ΔHlattice of an ionic crystal can be expressed by the following equation (derived from Coulomb’s law, governing the forces between electric charges): 

ΔHlattice =  C(Z +)(Z)/Ro 

in which C is a constant that depends on the type of crystal structure; Z+ and Z are the charges on the ions, and Ro is the interionic distance (the sum of the radii of the positive and negative ions). Thus, the lattice energy of an ionic crystal increases rapidly as the charges of the ions increase and the sizes of the ions decrease. When all other parameters are kept constant, doubling the charge of both the cation and anion quadruples the lattice energy. 

Examples

  1. The lattice energy of LiF (Z+ and Z = 1) is 1023 kJ/mol, whereas that of MgO (Z+ and Z = 2) is 3900 kJ/mol (Ro is nearly the same — about 200 pm for both compounds).
  2. Different interatomic distances produce different lattice energies. For example, compare the lattice energy of MgF2 (2957 kJ/mol) to that of MgI2 (2327 kJ/mol) to observe the effect on lattice energy of the smaller ionic size of F as compared to I.
  3. The precious gem ruby is aluminum oxide, Al2O3, containing traces of Cr3+. The compound Al2Se3 is used in the fabrication of some semiconductor devices. In these two ionic compounds, the charges Z+ and Z are the same, so the difference in lattice energy depends upon Ro. Since the O2 ion is smaller than the Se2 ion, the Al2O3 has a shorter interionic distance than Al2Se3 and has, therefore, larger lattice energy.
  4. Another example is zinc oxide, ZnO, compared to NaCl. ZnO has a larger lattice energy because the Z values of both the cation and the anion in ZnO are greater, and the interionic distance of ZnO is smaller than that of NaCl.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.