9.4: תהליך המחזור של בורן-הבר

אנרגיית סריג

תרכובת יונית יציבה בגלל המשיכה האלקטרוסטטית בין היונים החיוביים והשליליים שלה. אנרגיית הסריג של תרכובת היא מדד לחוזקה של משיכה זו. אנרגיית הסריג (ΔHlattice) של תרכובת יונית מוגדרת כאנרגיה הנדרשת להפרדת מול אחד של המוצק ליונים הגזים המרכיבים אותו.

כאן, נעשה שימוש במוסכמה שבה המוצק היוני מופרד ליונים, כלומר אנרגיות הסריג יהיו אנדותרמיות (ערכים חיוביים). דרך נוספת היא להשתמש במוסכמה מקבילה אך הפוכה, שבה אנרגיית הסריג היא אקסותרמית (ערכים שליליים) ומתוארת כאנרגיה המשתחררת כאשר יונים מתאחדים ליצירת סריג. לפיכך, הקפד לאשר באיזו הגדרה נעשה שימוש בעת חיפוש אנרגיות סריג בהתייחסות אחרת.

בשני המקרים, גודל גדול יותר עבור אנרגיית הסריג מצביע על תרכובת יונית יציבה יותר. עבור נתרן כלורי, ΔHlattice = 769 קילו-ג'ול. לפיכך, זה דורש 769 קילו-ג'ול כדי להפריד מול אחד של NaCl מוצק ליוני Na⁺ ו- Cl^– גזיים. כאשר מול אחד של יוני Na⁺ ו- Cl^– גזי יוצרים NaCl מוצק, 769 קילו-ג'ול של חום משתחרר.

קביעת אנרגיית הסריג של תרכובת יונית

לא ניתן למדוד אנרגיות סריג ישירות. עם זאת, ניתן לחשב את אנרגיית הסריג באמצעות מחזור תרמוכימי. מחזור בורן-הבר הוא יישום של חוק ההס שמפרק את היווצרותו של מוצק יוני לסדרה של שלבים בודדים:

1. שקול את היסודות במצבים הנפוצים ביותר שלהם, Cs (s) ו-F₂ (g).
2. ה- ΔHs° מייצג את ההמרה של צסיום מוצק לגז (סובלימציה), ואז אנרגיית היינון הופכת את אטומי הצסיום הגזיים לקטיונים.
3. בשלב הבא, יש להתייחס לאנרגיה הדרושה כדי לשבור את הקשר F–F לייצור אטומי פלואור.
4. המרת מול אחת של אטומי פלואור ליוני פלואוריד היא תהליך אקסותרמי, ולכן שלב זה מפיץ אנרגיה (זיקת האלקטרונים)
5. כעת, קיימת מול אחת של קטיוני Cs ומול אחת של אניוני F. יונים אלה מתאחדים לייצור פלואוריד צסיום מוצק. שינוי האנתלפיה בשלב זה הוא השלילי של אנרגיית הסריג, כך שזו גם כמות אקסותרמית.
6. סך האנרגיה המעורבת בהמרה זו שווה לאנתלפיה של היווצרות שנקבעה בניסוי, ΔHf°, של התרכובת מהיסודות שלה. במקרה זה, השינוי הכולל הוא אקסותרמי.

אנרגיות הסריג המחושבות עבור תרכובות יוניות הן בדרך כלל גבוהות בהרבה מאנרגיות פירוק הקשר הנמדדות עבור קשרים קוולנטיים. בעוד שאנרגיות הסריג נופלות בדרך כלל בטווח של 600 - 4000 קילו ג'ול/מול (חלקן אפילו גבוהות יותר), אנרגיות ניתוק הקשרים הקוולנטיים הן בדרך כלל בין 150 - 400 קילו ג'ול/מול עבור קשרים בודדים. עם זאת, זכור שלא מדובר בערכים הניתנים להשוואה ישירות. עבור תרכובות יוניות, אנרגיות הסריג קשורות לאינטרקציות רבות, שכן קטיונים ואניונים נאספים יחד בסריג מורחב. עבור קשרים קוולנטיים, אנרגיית פירוק הקשר קשורה לאינטרקציה של שני אטומים בלבד.

אנרגיית סריג כפונקציה של רדיוס יונים ומטען

אנרגיית הסריג של קריסטל יוני גדלה במהירות ככל שמטענים של היונים גדלים, וגדלים של היונים יורדים. כאשר כל שאר הפרמטרים נשמרים קבועים, הכפלת המטען של הקטיון והאניון מכפילה פי ארבעה את אנרגיית הסריג. לדוגמה, אנרגיית הסריג של LiF (Z⁺ ו-Z^– = 1) היא 1023 קילו-ג'ול/מול, ואילו זו של MgO (Z⁺ ו-Z^- = 2) היא 3900 קילו-ג'ול/מול (R_o = המרחק האינטריוני המוגדר כסכום של הרדיוסים של היונים החיוביים והשליליים, כמעט זהים - בערך 200 pm עבור שתי התרכובות).

מרחקים בין-אטומיים שונים מייצרים אנרגיות סריג שונות. לדוגמה, השווה את אנרגיית הסריג של MgF₂ (2957 קילו-ג'ול/מול) לזו של MgI₂ (2327 קילו-ג'ול-מול), מה שמדגים את ההשפעה על אנרגיית הסריג של הגודל היוני הקטן יותר של F^– בהשוואה ל-I^–.

יישומים אחרים של תהליך מחזור של בורן-הבר

ניתן להשתמש במחזור בורן-הבר גם כדי לחשב כל אחת מהכמויות האחרות במשוואה עבור אנרגיית הסריג, בתנאי שהשאר ידוע. לדוגמה, אם ידועה האנתלפיה הרלוונטית של סובלימציה ΔHs°, אנרגיית יינון (IE), אנתלפיית פירוק קשר (D), אנרגיית הסריג ΔHlattice ואנתלפיה סטנדרטית של היווצרות ΔHf°, ניתן להשתמש במחזור בורן-הבר כדי לקבוע את הזיקה האלקטרונית של האטום.

טקסט זה מותאם מ Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.