본-하버 사이클

이온 결합을 형성하려면 금속에서 비금속 원자에로 전자를 전달해야 하는데 이것은 종종 흡열 과정입니다. 하지만 나트륨 원소와 염소 원소가 반응하여 고체 염화 나트륨 결정체를 형성할 때 그것은 높은 발열 과정입니다. 하지만 에너지는 어디에서 오는 것일까요?

쿨롱의 법칙에 따르면 양이온과 음이온은 강한 정전기력에 의해 서로 끌어당겨 단단한 배열 또는 격자를 구성합니다. 결과로 생기는 격자 구조는 발열 반응에 의해 열을 방출시켜 위치 에너지를 감소시킴으로써 안정화됩니다. 결정 격자가 형성될 때 또는 그것을 이루는 기체 상태의 성분으로 분해되는 과정과 관련된 총 에너지를 격자 에너지라고 합니다.

고체 이온 화합물에서는 많은 수의 전하 입자가 서로 상호작용하기 때문에 격자 에너지의 정확한 값을 실험적으로 판단하기가 어렵습니다. 그러나 구성 요소로부터의 이온 화합물의 형성을 나타내는 보른-하버 순환이라고 불리는 가상적인 일련의 단계에서 헤스의 법칙을 이용하여 계산할 수 있습니다. 예를 들어 염화나트륨 생성을 위한 보른-하버 순환은 두 가지 대체 경로를 고려합니다.

하나는 직접 경로이고 다른 하나는 간접 경로입니다. 직접 경로는 나트륨 원소와 염소 원소로부터 NaCl 표준 생성 엔탈피를 나타냅니다. 간접 경로는 5단계를 포함합니다.

첫 번째 단계에서 고체 상태의 나트륨은 기체 형태로 변환됩니다. 다음으로 이원자 염소 분자를 기체 염소 원자로 분리합니다. 세 번째와 네 번째 단계에서는 전자 전이를 처리하여 이온을 형성합니다.

기체 나트륨에서 전자가 제거되어 나트륨 양이온을 형성합니다. 그런 다음 전자는 기체 염소에 의해 흡수되어 염화 음이온을 형성합니다. 마지막 단계에서 기체 이온 사이의 정전기적 인력에 의해 격자 구조가 형성됩니다.

헤스의 법칙에 따르면 단계적 과정에서 전반적인 엔탈피의 변화는 각 단계의 엔탈피 변화의 합계입니다. 이것은 직접 경로의 엔탈피 값은 다섯 단계의 엔탈피 값들의 합계와 같다는 것을 의미합니다. 격자 에너지에 대한 방정식을 풀면 큰 음의 값이 결정되는데 이는 반응이 발열 반응임을 나타냅니다.