Trendy w energii sieci: wielkość i ładunek jonów

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 przypadku stałego jonowego chlorku sodu energia sieci jest zmianą entalpii procesu:

Konwencje

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.

Prawo Coulomba i energia sieci

Energię sieci ΔH_sieci kryształu jonowego można wyrazić za pomocą następującego równania (wyprowadzonego z prawa Coulomba, rządzącego siłami między ładunkami elektrycznymi): 

ΔH_lattice =  C(Z ⁺)(Z⁻)/R_o 

w którym C jest stałą zależną od rodzaju struktury krystalicznej; Z⁺ i Z^– to ładunki jonów, a R_o to odległość międzyjonowa (suma promieni jonów dodatnich i ujemnych). Tak więc energia sieci kryształu jonowego gwałtownie rośnie 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. 

Przykłady

1. Energia sieci LiF (Z⁺ i Z^– = 1) wynosi 1023 kJ/mol, podczas gdy MgO (Z⁺ i Z^– = 2) wynosi 3900 kJ/mol (R_o jest prawie takie samo — około 200 pm dla obu związków).
2. Różne odległości międzyatomowe wytwarzają różne energie sieci. Na przykład porównaj energię sieci MgF₂ (2957 kJ/mol) z energią MgI₂ (2327 kJ/mol), aby zaobserwować wpływ na energię sieci mniejszego rozmiaru jonowego F^– w porównaniu do I^–.
3. Cennym klejnotem rubinu jest tlenek glinu, Al₂O₃, zawierający śladowe ilości Cr³⁺. Związek Al₂Se₃ jest używany do produkcji niektórych urządzeń półprzewodnikowych. W tych dwóch związkach jonowych ładunki Z⁺ i Z^– są takie same, więc różnica energii sieci zależy od R_o. Ponieważ jon O₂ ^– jest mniejszy niż jon Se₂^–, jon Al₂O₃ ma krótszą odległość międzyjonową niż Al₂Se₃ i dlatego ma większą energię sieci.
4. Innym przykładem jest tlenek, ZnO, w porównaniu z NaCl. ZnO ma większą energię sieci, ponieważ wartości Z zarówno kationu, jak i anionu w ZnO są większe, a odległość międzyjonowa ZnO jest mniejsza niż NaCl.

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