9.5:
Trends in der Gitterenergie: Ionengröße und Ladung
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:
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.
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.
This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.
Gitterenergie ist mit der Bildung oder Spaltung eines Ionengitters verbunden. Wenn sich jedoch Natriumchlorid oder Magnesiumoxid bilden, unterscheidet sich ihre Gitterenergie erheblich. Warum hat jede ionische Verbindung eine andere Gitterenergie, und von welchen Faktoren hängt sie ab?
Eine ionische Verbindung besteht aus einer geordneten Anordnung einer großen Anzahl geladener Ionen, die durch elektrostatische Wechselwirkungen aneinander angezogen werden. Nach dem Coulomb’schen Gesetz ist die potentielle Energie zweier Ionen umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Ionen, der wiederum vom Ionenradius abhängt. Im Periodensystem nimmt der Ionenradius der Alkali-und Erdalkalimetalle spaltenabwärts zu.
Mit zunehmender Größe des Metallions wird auch der Abstand zwischen den Ionen bzw. die Bindungslänge größer. Zum Beispiel unterscheidet sich die Bindungslänge von Lithiumbromid und Kaliumbromid mit 217 picometer und 282 picometer.
Aufgrund des größeren Abstands zwischen den Kernen nimmt die Anziehung zwischen den Ionen ab und es wird viel einfacher, die Ionen zu trennen. Daher ist die Gitterenergie zur Trennung von festem Lithiumbromid größer als bei Kaliumbromid und beträgt 807 Kilojoule/mol gegenüber 682 Kilojoule/mol. Neben dem Ionenradius hängt die Größe der Gitterenergie auch von den Ionenladungen ab.
Nach dem Coulomb’schen Gesetz ist die potentielle Energie der Ionen direkt proportional zum Produkt ihrer Ladungen. Betrachtet man zwei ionische Verbindungen, Natriumfluorid und Calciumoxid, ist der Ionenabstand bei beiden Verbindungen ähnlich, aber die Gitterenergie von Calciumoxid ist fast viermal so groß wie die von Natriumfluorid. Sowohl Natrium als auch Fluorid sind einwertige Ionen;das Produkt ihrer Ladung ist 1.
Calcium-und Oxid-Ionen sind jedoch zweiwertig, und das Produkt ihrer Ladung ist 4, was viermal so hoch ist wie bei Natriumfluorid. Aus diesem Grund wird für die Spaltung des Calciumoxids in gasförmige Ionen fast viermal so viel Energie benötigt wie für Natriumfluorid. Die Größe der Gitterenergie ist also direkt proportional zum Produkt der Ionenladungen und umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Ionen.
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