9.5: الاتجاهات في الطاقة الشبكية- حجم الأيون وشحنته

مركب أيوني مستقر بسبب الجاذبية الكهروستاتيكية بين أيونات موجبة وسالبة. الطاقة الشبكية لمركب هي مقياس لقوة هذا التجاذب. تُعرَّف طاقة شبكية (ΔH_lattice) لمركب أيوني بأنها الطاقة المطلوبة لفصل مول واحد من المادة الصلبة عن أيونات الغازات المكونة له. بالنسبة لكلوريد الصوديوم الأيوني الصلب، فإن الطاقة الشبكية هي التغير في المحتوى الحراري للعملية:

الاتفاقيات

هنا، يتم استخدام الإتفاقية حيث يتم فصل الصلب الأيوني إلى أيونات، مما يعني أن طاقات شبكية ستكون ماصة للحرارة (قيم موجبة). ثمة طريقة أخرى لاستخدام تقليد مكافئ لكن معاكس، حيث تكون طاقة الشبكة طاردة للحرارة (قيم سالبة)، ويُوصف بأنها الطاقة التي يتم إطلاقها عندما تتحد الأيونات لتكوين شبكية. لذلك، تأكد من تحديد التعريف المستخدم عند البحث عن مصادر شبكية في مرجع آخر. في كلتا الحالتين، يشير الحجم الأكبر للطاقة الشبكية إلى مركب أيوني أكثر ثباتًا. بالنسبة لكلوريد الصوديوم، تكون قيمة H_lattice = 769 كيلوجول. وبالتالي، يتطلب الأمر استخدام 769 كيلوجول لفصل مول واحد من NaCl الصلب إلى أيونات غازية Na⁺ و Cl^–. عندما تتكون أيونات من أيونات غازية من نوع Na⁺ و Cl^{– من NaCl صلب، يتم تحرير 769 كيلوجول من الحرارة.}

قانون كولومب’ والطاقة الشبكية

الطاقة الشبكية ΔH_lattice لبلورة أيونية يمكن التعبير عنها بالمعادلة التالية (المستمدة من قانون كولومب’، الذي يحكم القوى بين الشحنات الكهربائية):  

ΔH_lattice =  C(Z ⁺)(Z⁻)/R_o 

حيث C ثابت يعتمد على نوع البنية البلورية؛Z⁺ و Z^– هي الشحنات على الأيونات، و R_o هو المسافة بين الأيونات (مجموع شعاع الأيونات الموجبة والسالبة). وبالتالي، تزداد الطاقة الشبكية للكريستال الأيوني بسرعة مع زيادة شحنات الأيونات وانخفاض أحجام الأيونات. عندما يتم الحفاظ على ثبات جميع المعلمات الأخرى، فإن مضاعفة شحن كل من الشحونَين إلى أربعة أضعاف الطاقة الشبكية.  

أمثلة

1. تبلغ طاقة شبكية LiF (Z⁺ و Z^– = 1) هي 1023 كيلوجول/مول، بينما MgO (Z⁺ و Z^– = 2) هي 3900 كيلوجول/مول (R_o هي نفسها — تقريباً حوالي 200 pm لكلتا المركبين).
2. تنتج المسافات بين الذرات المختلفة طاقات شبكية مختلفة. على سبيل المثال، قارن طاقة شبكية MgF₂ (2957 كيلوجول/مول) بـ MgI₂ (2327 كيلوجول/مول) لملاحظة التأثير على طاقة شبكية بحجم أيوني أصغر من FF^– مقارنة بـ I^–.
3. جوهرة الياقوت الثمينة هي أكسيد الألومنيوم، Al₂O₃، التي تحتوي على آثار Cr³⁺. يُستخدم المركّب Al₂Se₃ في تصنيع بعض أجهزة أشباه الموصلات. في هذين المركبين الأيونيين، تكون الشحنات Z⁺ و Z^– هي نفسها، لذا يعتمد الاختلاف في طاقة شبكية على R_o. بما أن الأيون O₂^– أصغر من الأيون Se₂^– فإن Al₂O₃ له مسافة أيونية أقصر من Al₂Se₃، وبالتالي، لديه طاقة شبكية أكبر.
4. ومن الأمثلة الأخرى أكسيد الزنك، ZnO، مقارنة بـ NaCl. لدى ZnO طاقة شبكية أكبر لأن قيم Z لكلٍ من الكاتيون والأنيون في ZnO أكبر، والمسافة الأيونية بين ZnO أصغر من قيمة NaCl.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.

ترتبط الطاقة الشبكية بتكوين أو انفصال الشبكة الأيونية. ومع ذلك،عندما يتكون كلوريد الصوديوم أو أكسيد المغنيسيوم،تختلف طاقتهم الشبكية بشكل كبير. لماذا لكل مركب أيوني شبكة مختلفة الطاقة وما هي العوامل التي تعتمد عليها؟يتكون المركب الأيوني من ترتيب منتظم لعدد كبير من الأيونات المشحونة،تنجذب إلى بعضها البعض عن طريق التفاعلات الكهروستاتيكية.

وفقًا لقانون كولوم،الطاقة الكامنة لاثنين من الأيونات يتناسب عكسيا مع المسافة بين الأيونات،والتي بدورها تعتمد على نصف القطر الأيوني. في الجدول الدوري نصف القطر الأيوني،للفلزات الأرضية القلوية والقلويات،يزيد أسفل العمود. كلما زاد حجم أيون المعدن،تصبح المسافة بين الأيونات،أو طول الرابطة،أكبر كذلك.

على سبيل المثال،طول رابطة بروميد الليثيوم وبروميدالبوتاسيوم،تختلف ما بين 217 م و 282 م،على التوالي. بسبب زيادة المسافة بين النوى،يتناقص التجاذب بين الأيونات ويصبح من الأسهل بكثير فصل الأيونات. وبالتالي،فإن الطاقة الشبكية لفصل بروميد الليثيوم الصلب أكبر من بروميد البوتاسيوم بقيمة 807 كيلوجول مول،مقابل 682 كيلوجول مول،على التوالي.

بالإضافة إلى نصف القطر الأيوني،فإنّمقدار الطاقة الشبكية يعتمد أيضًا على شحنة الأيونات. وفقًا لقانون كولوم،الطاقة الكامنة للأيونات تتناسب طرديًا مع ناتج ضرب شحنتهم. لننظر في اثنين من المركبات الأيونية،فلوريد الصوديوم وأكسيد الكالسيوم.

المسافة الأيونية في كلا المركبين متشابهة،لكن الطاقة الشبكية لأكسيد الكالسيوم،تساوي ما يقرب من أربع مرات أكبر من فلوريد الصوديوم. كل من الصوديوم والفلوريد عبارة عن أيونات أحادية التكافؤ؛ناتج ضرب شحنتهم هو 1. ومع ذلك،فإن أيونات الكالسيوم والأكسيد،ثنائية التكافؤ وناتج ضرب شحنتهم 4،وهو أربع مرات أكبر من فلوريد الصوديوم.

هذا هو السبب في أنها تستهلك ما يقرب من أربعة أضعاف الطاقة لفصل أكسيد الكالسيوم إلى أيونات غازية بالمقارنة مع فلوريد الصوديوم. وبالتالي،فإن مقدار الطاقة الشبكية يتناسب طرديا مع ناتج ضرب الشحنات الأيونية،ويتناسب عكسيا مع المسافة بين الأيونات.