Тенденции изменения энергии решетки: размер и заряд ионов

Ионное соединение стабильно из-за электростатического притяжения между его положительными и отрицательными ионами. Решетчатая энергия соединения является мерой прочности этого притяжения. Энергия решетки (ΔH_lattice) ионного соединения определяется как энергия, необходимая для разделения одного моль твердого тела на его компонентные газообразные ионы. Для ионного твёрдого хлорида натрия энергия решетки является энтальпией изменения процесса:

Соглашения

Здесь используется соглашение, при котором твердое ионное вещество разделяется на ионы, что означает, что энергии решетки будут эндотермическими (положительные значения). Другой способ – использовать эквивалентное, но противоположное соглашение, в котором энергия решетки является экзотермической (отрицательные значения) и описывается как энергия, выделяемая при объединении ионов в решетку. Таким образом, убедитесь, что подтвердили, какое определение используется при поиске энергий решетки в другом справочнике. В обоих случаях большее значение энергии решетки указывает на более стабильное ионное соединение. Для хлорида натрия & Delta; H _{решетка} = 769 кДж. Таким образом, для разделения одного моля твердого NaCl на газообразные ионы Na ⁺ и Cl ^{& ndash;} требуется 769 кДж. Когда по одному моль каждого из газообразных ионов Na ⁺ и Cl ^{& ndash;} образует твердый NaCl, выделяется 769 кДж тепла.

Закон Колона и энергия решётки

Решетчатая энергия ΔHlattice ионного кристалла может быть выражена следующим уравнением (производным от закона Кулона, регулирующего силы между электрическими зарядами):  

ΔHlattice =  C(Z ⁺)(Z^–)/ro  

В котором C — константа, зависящая от типа кристаллической структуры; Z⁺ и Z ^— заряды на ионы, а Ro — межионное расстояние (сумма радиусов положительных и отрицательных ионов). Таким образом, энергия решетки ионного кристалла быстро увеличивается по мере увеличения зарядов ионов и уменьшения размеров ионов. Когда все остальные параметры остаются неизменными, удвоение заряда катиона и аниона в четыре раза увеличивает энергию решетки.  

Примеры

1. Решетчатая энергия LIF (Z⁺ и Z^– = 1) составляет 1023 кДж/моль, в то время как энергия MgO (Z⁺ и Z^– = 2) составляет 3900 кДж/моль (Ro почти одинакова — около 200 вечера для обоих соединений).
2. Различные межатомные расстояния производят разные энергии решетки. Например, сравните энергию решетки MgF₂ (2957 кДж/моль) с энергией MgI₂ (2327 кДж/моль), чтобы наблюдать влияние на энергию решетки меньшего ионного размера F^– по сравнению с i^–.
3. Драгоценный камень рубин – это оксид алюминия Al ₂ O ₃ , содержащий следы Cr ³⁺ . Соединение Al ₂ Se ₃ используется при изготовлении некоторых полупроводниковых устройств. В этих двух ионных соединениях заряды Z ⁺ и Z ^{& ndash;} одинаковы, поэтому разница в энергия решетки зависит от R _o . Поскольку ион O ₂ ^{& ndash;} меньше, чем ион Se ₂ ^{& ndash;} , ион Al ₂ O ₃ имеет меньшее межионное расстояние, чем Al ₂ Se ₃ , и, следовательно, имеет большую энергию решетки.
4. Другой пример – оксид цинка ZnO по сравнению с NaCl. ZnO имеет большую энергию решетки, потому что значения Z как для катиона, так и для аниона в ZnO больше, а межионное расстояние ZnO меньше, чем у NaCl.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.5: Силы ионных и ковалентных связей.