9.4: Cykl Borna-Habera

Energia sieci

Związek jonowy jest stabilny ze względu na przyciąganie elektrostatyczne między jego jonami dodatnimi i ujemnymi. Energia sieci związku jest miarą siły tego przyciągania. Energia sieci (sieć ΔH) związku jonowego definiuje się jako energię potrzebną do rozdzielenia jednego mola ciała stałego na składowe jony gazowe. 

W tym przypadku stosowana jest konwencja, w której jonowe ciało stałe jest rozdzielane na jony, co oznacza, że energie sieci będą endotermiczne (wartości dodatnie). Innym sposobem jest użycie równoważnej, ale odwrotnej konwencji, w której energia sieci jest egzotermiczna (wartości ujemne) i opisana jako energia uwalniana, gdy jony łączą się, tworząc sieć. Dlatego upewnij się, że potwierdziłeś, która definicja jest używana podczas wyszukiwania energii sieci w innym odniesieniu. 

W obu przypadkach większa wielkość energii sieci wskazuje na bardziej stabilny związek jonowy. Dla chlorku sodu _sieć ΔH = 769 kJ. Tak więc potrzeba 769 kJ do rozdzielenia jednego mola stałego NaCl na gazowe jony Na⁺ i Cl^–. Gdy po jednym molu z gazowych jonów Na⁺ i Cl^– tworzy stały NaCl, uwalniane jest 769 kJ ciepła.

Wyznaczanie energii sieci związku jonowego

Nie jest możliwy bezpośredni pomiar energii sieci. Jednak energię sieci można obliczyć za pomocą cyklu termochemicznego. Cykl Borna-Habera to zastosowanie prawa Hessa, które dzieli tworzenie się jonowego ciała stałego na szereg indywidualnych etapów:

1. Rozważ pierwiastki w ich najczęstszych stanach, Cs (s) i F₂ (g). 
2. ΔH_s° reprezentuje przemianę stałego cezu w gaz (sublimacja), a następnie energia jonizacji przekształca gazowe atomy cezu w kationy. 
3. W następnym kroku należy uwzględnić energię potrzebną do zerwania wiązania F-F w celu wytworzenia atomów fluoru. 
4. Zamiana jednego mola atomów fluoru na jony fluorkowe jest procesem egzotermicznym, więc ten etap wydziela energię (powinowactwo elektronowe) 
5. Teraz obecny jest jeden mol kationów Cs i jeden mol anionów F. Jony te łączą się, tworząc stały fluorek cezu. Zmiana entalpii na tym etapie jest ujemna energii sieci, więc jest to również wielkość egzotermiczna. 
6. Całkowita energia zaangażowana w tę przemianę jest równa wyznaczonej doświadczalnie entalpii powstawania, ΔH_f°, związku z jego pierwiastkami. W tym przypadku ogólna zmiana jest egzotermiczna.

Energie sieci obliczone dla związków jonowych są zwykle znacznie wyższe niż energie dysocjacji wiązań mierzone dla wiązań kowalencyjnych. Podczas gdy energie sieci zwykle mieszczą się w zakresie 600 – 4000 kJ/mol (niektóre nawet wyższe), energie dysocjacji wiązań kowalencyjnych wynoszą zwykle od 150 do 400 kJ/mol dla pojedynczych wiązań. Należy jednak pamiętać, że nie są to bezpośrednio porównywalne wartości. W przypadku związków jonowych energie sieci są związane z wieloma interakcjami, ponieważ kationy i aniony pakują się razem w rozszerzoną sieć. W przypadku wiązań kowalencyjnych energia dysocjacji wiązania jest związana z oddziaływaniem tylko dwóch atomów.

Energia sieci jako funkcja promienia jonów i ładunku 

Energia sieci kryształu jonowego gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem ładunków jonów i zmniejszaniem się rozmiarów jonów. Gdy wszystkie inne parametry są utrzymywane na stałym poziomie, podwojenie ładunku zarówno kationu, jak i anionu czterokrotnie zwiększa energię sieci. Na przykład energia sieci LiF (Z⁺ i Z^– = 1) wynosi 1023 kJ/mol, podczas gdy energia MgO (Z⁺ i Z^– = 2) wynosi 3900 kJ/mol (R_o = odległość międzyjonowa zdefiniowana jako suma promieni jonów dodatnich i ujemnych, jest prawie taka sama — około 200 pm dla obu związków).

Różne odległości międzyatomowe wytwarzają różne energie sieci. Na przykład porównaj energię sieci MgF₂ (2957 kJ/mol) z energią MgI₂ (2327 kJ/mol), co pokazuje wpływ na energię sieci mniejszego rozmiaru jonowego F^– w porównaniu do I^–.

Inne zastosowania cyklu Borna-Habera

Cykl Borna-Habera może być również wykorzystany do obliczenia dowolnej z pozostałych wielkości w równaniu energii sieci, pod warunkiem, że reszta jest znana. Na przykład, jeśli znana jest odpowiednia entalpia sublimacji  ΔH_s°,  energia jonizacji (IE), entalpia dysocjacji wiązań (D), energia sieci ΔH sieci i standardowa entalpia tworzenia  ΔH_f° , cykl Borna-Habera może być użyty do określenia powinowactwa elektronowego atomu.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 7.5: Siła wiązań jonowych i kowalencyjnych.