Что такое энергия решетки? Задачи по нахождению - химия.

Что такое энергия решетки?
Во время образования твердых ионных соединений электроположительные металлы вступают в реакцию с электроотрицательными неметаллами. Как образование, так и растворение таких соединений связаны с понятием энергии решетки, типа потенциальной энергии, выраженной в единицах кДж / моль. Энергия решетки поддерживает фиксированные положения катионов и анионов в ионных соединениях. Мы можем продолжить изучение этого термина двумя различными способами, в зависимости от нашей точки зрения.

Ключ к пониманию этой концепции лежит в кристаллической структуре ионных соединений. Их прочная, жесткая композиция обеспечивает взаимодействие между каждым заряженным ионом и его противоположно заряженными аналогами. Эти взаимодействия требуют большого количества энергии, что объясняет высокие температуры плавления и кипения, характерные для ионных соединений.

Энергия решетки может быть описана как определенное количество энергии, выделяющееся, когда газообразные ионы вступают в реакцию во время образования одного моля твердого ионного соединения; однако она также описывает энергию, которая облегчает диссоциацию одного моля твердого ионного соединения на составляющие его газообразные ионы. В зависимости от выбранного нами определения энергия решетки данного ионного соединения может быть либо положительным, либо отрицательным значением.

Экзотермический против Эндотермического
Мы можем рассматривать энергии решетки как эндотермические или экзотермические процессы в зависимости от того, на каком определении мы сосредоточимся. Процесс является экзотермическим, когда он выделяет энергию. Наше первое определение, образование ионного соединения, включает экзотермическую энергию решетки, соответствующую отрицательному значению.

С другой стороны, если мы используем альтернативное определение, растворение ионного соединения, характер значения энергии решетки изменяется. Поскольку этот процесс требует энергии, он относится к эндотермической категории, соответствующей положительному значению.

Факторы, влияющие на энергию решетки
1. Заряды, удерживаемые составляющими ионами (представлены переменными Q1 и Q2)
По мере увеличения переменной заряда ионов энергия решетки увеличивается. Это означает, что ионы с большими значениями заряда будут образовывать ионные соединения с большей энергией решетки. В свою очередь, ионы, обладающие более слабыми зарядами, уменьшают энергии решетки своих соединений.

2. Расстояние между составляющими ионами (представленное переменной R)
По мере увеличения переменной расстояния энергия решетки уменьшается. По существу, более крупные ионы составляют ионные соединения с меньшей энергией решетки из-за увеличенного расстояния между ними. Меньшие ионы создают большие энергии решетки в своих ионных соединениях.

Тенденции развития Решетчатой Энергетики
Подводя итог, энергия решетки увеличивается по мере увеличения заряда ионов и уменьшения расстояния. Более конкретно, она увеличивается слева направо по периодам и снизу вверх по группам.

Поиск энергии решетки
При наличии нескольких ионных соединений химикам часто приходится определять, какое из них обладает наибольшей энергией решетки. Для этого они учитывают как переменную заряда иона, так и переменную расстояния.

Шаги для решения:

Решите уравнение для каждого ионного соединения, введя значения заряда и расстояния, характерные для него.
Сравните результаты; наибольшее количество обозначает ионное соединение с наибольшей энергией решетки.
Аппроксимация энергий решетки
Во время сравнений мы также можем использовать переменные заряда и расстояния для оценки относительных энергий решетки.

Шаги для решения:

1. Сначала посмотрите на относительные заряды, отображаемые каждым ионом в данном соединении — если одно соединение имеет гораздо более высокие ионные заряды, то оно, вероятно, будет иметь более высокую энергию решетки.

2. Если расхождения в зарядах между соединениями кажутся неясными, вычислите Q1 x Q2 для каждого соединения и сравните эти значения. Например, расчетный заряд -3 в 3 раза превышает величину расчетного заряда -1; это будет означать, что ионное соединение с зарядом -3 обладает гораздо более высокой энергией решетки, чем ионное соединение с зарядом -1 (примерно в 3 раза выше).

3. Если заряды нескольких соединений одинаковы или слишком близки по значению, чтобы производить различия, учитывайте размеры ионов. Сопоставьте атомный размер, сравнивая катион с катионом и анион с анионом между соединениями. Если вы видите значительное расхождение в размерах либо между катионами, либо между анионами, компонент с большим атомным радиусом снизит энергию решетки соответствующего соединения. И наоборот, ион с меньшим атомным радиусом увеличит энергетическую ценность соответствующего ему соединения.

Применение энергии решетки
Цикл Борна-Хабера
Энергия решетки участвует в цикле Борна-Хабера, который помогает химикам анализировать энергии реакций. Этот цикл обычно служит основой для исследований образования ионных соединений из различных элементов. Он проясняет общий процесс реакции, разбивая его на ряд этапов. Этот подход к анализу химических реакций вытекает из закона Гесса, который гласит, что всеобъемлющие изменения энергии могут быть определены путем изучения отдельных этапов, а затем объединения их эффектов.

Поскольку энергия решетки является частью уравнения цикла Борна-Хабера, мы можем решить его, когда подключены другие факторы. Уравнение выглядит следующим образом:

Теплота образования = энергия решетки + теплота распыления + энергия диссоциации + (сумма энергий ионизации) + (сумма сродств к электронам)

Цикл Борна-Хабера применяет закон Гесса для расчета энергий решетки путем сопоставления изменения энтальпии образования данного ионного соединения с энтальпией, необходимой для образования газообразных ионов из его компонентов.

Другие применения энергии решетки
Ученые используют энергии решетки в более широком смысле для оценки электронных соотношений и соотношений фторидов. Факторы, в свою очередь, информируют исследования об относительной прочности различных ионных твердых веществ, а также о прогнозах идентичности ионных соединений, компонентов и свойств.

Дополнительные примеры вычисления энергий решетки
Пример s: использование методов аппроксимации
Во-первых, мы будем практиковать решение для переменной заряда.

Задача 1: Учитывая состав MgO, определите его суммарный заряд.

Шаги для решения:
1. Запишите заряды его ионов: Mg +2 и O-2

2. Умножьте эти расходы: (2) х (-2) = -4

Задача 2: Учитывая соединение KCl, определите его суммарный заряд.

1. Запишите заряды его ионов: K +1 и Cl-1

2. Умножьте эти заряды: (1) x (-1) = -1

Мы можем сравнить заряд -4 MgO с зарядом -1 KCl, как обсуждалось. Поскольку первое в 4 раза превышает количество последнего, мы можем предсказать, что энергия его решетки также будет примерно в 4 раза больше.

Теперь мы попрактикуемся в решении для переменной размера.

Задача 3: Учитывая соединение CaO, определите размеры его ионов.

Шаги для решения:
1. Определите ионные радиусы его катиона: Ca +2 имеет ионный радиус 0,100 нм.

2. Определите ионные радиусы его аниона: O-2 имеет ионный радиус 0,140 нм.

Мы можем сравнить эти значения с значениями другого ионного соединения, как обсуждалось выше. Это дает представление о том, какая из них обладает большей энергией решетки.

Примеры цикла Борна-Хабера
Теперь мы попрактикуемся в решении для точной энергии решетки, используя цикл Борна-Хабера.

Задача 1: Учитывая соединение NaCl, определите энергию его решетки.

Шаги для решения:
Напишите реакцию, описывающую образование NaCl при нормальных условиях:
Na(s)+12Cl2(g)>NaCl(s)

Замените реагенты на их ионные газовые компоненты.
Na(s)>Na(g)
Na(g)>Na+(g)+e?

12Cl2(g)>Cl(g)
Cl(g)+e?>Cl?(g)

Na+(g)+Cl?(g)>NaCl(s)

Это окончательное преобразование показывает создание самого “решетчатого” соединения.

3. В соответствии с законом Гесса разделите части реакции и рассмотрите их изолированно.

NaCl (s) > Na (s) +12Cl 2
??HF, NaCl (s) =+411 кДж

Na, ? = 107 кДж

Na(g) > Na+(g)+e?
Т.Е. 1, Na(g) = 502 кДж

Связь 12Cl 2
(g) > Cl (g) 12?H, Cl2 (g) = 12 ? 242 кДж

Cl(g)+e?> Cl? (g)
EA1, Cl(g)=-355 кДж

Na + (g)+ Cl? (g) > NaCl (s), ?H решетки =?

4. Повторно объедините эти части, чтобы получить окончательное уравнение цикла Борна-Хабора:

0 = ?Hcycle = ?Hf, NaCl (s) + ?Hsub, Na+ IE1, Na(g) + 12?Hbond, Cl2(g)?EA1, Cl (g)??Hlattice

Затем решите для переменной решетки: ?Hlattice, NaCl (s)

=?[411+107+502+12(242)-355] Кей Джей

Энергия решетки NaCl=-786 кДж