Chapter 9: Chemical Bonding: Basic Concepts

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9.4:

보른-하버 순환

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The Born-Haber Cycle

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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.

9.4:

보른-하버 순환

격자 에너지

이온 화합물은 양극과 음이온 사이의 정전기 적 매력 때문에 안정적입니다. 화합물의 격자 에너지는이 매력의 강도의 척도입니다. 이온 화합물의 격자 에너지(ΔH_격자)는고체의 두더지 1개를 구성 요소기이온으로 분리하는 데 필요한 에너지로 정의된다.

여기서, 이온 고체가 이온으로 분리되는 곳에서 이관이 사용되는 경우, 격자 에너지가 풍등(양성 값)이 된다는 것을 의미합니다. 또 다른 방법은 격자 에너지가 특이적(음의 값)이고 이온이 결합될 때 방출되는 에너지로 설명되는 것과 동등한, 그러나 반대되는 규칙을 사용하는 것이다. 따라서 다른 참조에서 격자 에너지를 조회할 때 어떤 정의가 사용되는지 확인하십시오.

두 경우 모두, 격자 에너지에 대한 더 큰 크기는 더 안정적인 이온 화합물을 나타냅니다. 염화 나트륨의 경우, ΔH_격자 = 769 kJ. 따라서, 고체 NaCl의 두더지 1개를 기체 Na⁺ 및 Cl^– 이온으로 분리하기 위해 769 kJ가 필요합니다. 가스 Na⁺ 및 Cl^– 이온이 솔리드 NaCl을 형성하면 769 kJ의 열이 방출됩니다.

이온 화합물의 격자 에너지 결정

격자 에너지를 직접 측정할 수 없습니다. 그러나, 격자 에너지는 열화학 적 주기를 사용하여 계산될 수 있다. 태어난 하버 주기는 일련의 개별 단계로 이온 고체의 형성을 분해 헤스의 법칙의 응용 프로그램입니다 :

Cs의 승화의 엔탈피 (s)	Cs (s)→ Cs (g)		Δ H = ΔH_s° = 76.5 kJ/mol
F2 채권 에너지의 절반	1/2 F₂(g)→ F (g)		Δ H = 1/2 D = 79.4 kJ/몰
Cs의 이온화 에너지 (g)	Cs (g)→ Cs⁺ (g) + e^–		ΔH = IE = 375.7 kJ/몰
F의 전자 선호도	F (g)+ e^– → F^– (g)		ΔH = EA = -328.2 kJ/mol
CsF의 격자 에너지의 음수 (들)	Cs⁺ (g)+ F^– (g) → CsF (s)		ΔH = -ΔH_격자= ?
CsF (s)의형성의 엔탈피, 단계 1-5 추가	Δ H = ΔH_f° = ΔH_s°+ 1/2D + IE +(EA)+ (-δH_격자) Cs (s)+ 1/2 F₂(g)→ CsF (s)		ΔH = -553.5 kJ/몰

가장 일반적인 상태,Cs(s)및 F 2(g)의요소를 고려합니다.
ΔH_s°는 고체 세슘을 가스로 변환한 다음 이온화 에너지가 기체 세슘 원자를 양이온으로 변환합니다.
다음 단계에서는 불소 원자를 생산하기 위해 F-F 결합을 끊는 데 필요한 에너지를 고려해야 합니다.
불소 원자의 한 두더지를 불소 이온으로 변환하는 것은 비등한 과정이므로이 단계는 에너지를 방출합니다 (전자 친화성)
이제 Cs 양이온 1개의 두더지와 F 음이온 1개의 두더지가 존재합니다. 이 온은 단단한 세슘 불소를 생성하기 위해 결합합니다. 이 단계의 엔탈피 변화는 격자 에너지의 음수이므로 또한 외래적인 양입니다.
이 변환에 관여하는 총 에너지는 그 원소로부터 화합물의 형성, ΔH_f°의 실험적으로 결정된 엔탈피와 같습니다. 이 경우 전체적인 변화는 매우 비열합니다.

이온 화합물에 대해 계산된 격자 에너지는 일반적으로 공유 결합을 위해 측정된 결합 해리 에너지보다 훨씬 높습니다. 격자 에너지는 일반적으로 600 – 4000 kJ / mol (일부 더 높은) 범위에 속하는 반면, 공유 결합 해리 에너지는 일반적으로 단일 채권에 대한 150 – 400 kJ / mol 사이입니다. 그러나 이러한 값은 직접 비교가능한 값이 아니라는 점을 명심하십시오. 이온 화합물의 경우, 격자 에너지는 양이온과 음이온이 확장 된 격자에 함께 포장으로, 많은 상호 작용과 연관된다. 공유 결합의 경우, 결합 해리 에너지는 단지 두 원자의 상호 작용과 관련이 있습니다.

이온 반경 및 충전의 기능으로 격자 에너지

이온 결정의 격자 에너지는 이온의 충전이 증가하고 이온의 크기가 감소함에 따라 빠르게 증가합니다. 다른 모든 매개 변수가 일정하게 유지되면 양이온과 애니메이션 의 전하가 격자 에너지를 네 배로 늘립니다. 예를 들어, LiF(Z^+및 Z –=1)의 격자 에너지는 1023kJ/mol이고, MgO(Z⁺ 및 Z^–= 2)의 반면 3900kJ/mol(R_o=+는 양성 및 음수 이온의 방리의 합으로 정의된 상호 거리)은 거의 동일합니다- 약 200pm 에 대한 화합물에 대한).

다른 원자 간 거리는 다른 격자 에너지를 생성합니다. 예를 들어, MgF 2(2957 kJ/mol)의 격자 에너지를 MgI₂₍₂₃₂₇ kJ/mol)와^{비교하여,}이는^I에 비해 F의 작은 이온 크기의 격자 에너지에 미치는 영향을 나타냅니다.

태어난 하버 사이클의 다른 응용 프로그램

Born-Haber 주기는 나머지가 알려져 있는 경우 격자 에너지 방정식에서 다른 수량 중 하나를 계산하는 데 사용될 수도 있다. 예를 들어, 이온화에너지(IE),결합 해리엔탈피(D), 격자 에너지 Δ H_격자,및 형성ΔH_f°의표준 엔탈피의 관련 엔탈피인경우, 태어난-하버 사이클이 원자의 전자 친화성을 결정하는데 사용될 수 있다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 7.5: 이온 및 공유 본즈의 강점에서 채택됩니다.