Back to chapter

9.5:

Örgü Enerjisindeki Trendler İyon Boyutu ve Yükü

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Trends in Lattice Energy: Ion Size and Charge

Languages

Share

Kafes enerjisi, iyonik bir kafesin oluşumu veya ayrılmasıyla ilişkilidir. Sodyum klorür veya magnezyum oksit oluştuğunda, kafes enerjileri önemli ölçüde farklılık gösterir. Her iyonik bileşiğin neden farklı bir kafes enerjisi vardır ve hangi bu enerji faktörlere bağlıdır?Bir iyonik bileşik, elektrostatik etkileşimlerle birbirine çekilen çok sayıda yüklü iyonun düzenli bir şekilde düzenlenmesinden oluşur. Coulomb yasasına göre, iki iyonun potansiyel enerjisi iyonlar arasındaki mesafeyle ters orantılıdır ve bu da iyon yarıçapına bağlıdır. Periyodik tabloda, alkali ve toprak alkali metallerin iyonik yarıçapı sütun boyunca artar.Metal iyonunun boyutu arttıkça iyonlar arasındaki mesafe veya bağ uzunluğu da artar. Örneğin, lityum bromür ve potasyum bromürün bağ uzunluğu sırasıyla 217 pikometre ve 282 pikometre arasında değişir. Artan çekirdek arası mesafe nedeniyle iyonlar arasındaki çekim azalır ve iyonları ayırmak çok daha kolay hale gelir.Bu nedenle, katı lityum bromürü ayırmak için kullanılan kafes enerjisi, sırasıyla 807 kilojul/mol’e karşılık 682 kilojul/mol olan potasyum bromürden daha büyüktür. İyonik yarıçapa ek olarak, kafes enerjisinin büyüklüğü de iyon yüklerine bağlıdır. Coulomb yasasına göre iyonların potansiyel enerjisi, yüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır.İki iyonik bileşik sodyum florür ve kalsiyum oksiti düşünün. Her iki bileşikteki iyonik mesafe benzerdir, ancak kalsiyum oksitin kafes enerjisi sodyum florürden neredeyse dört kat daha fazladır. Hem sodyum hem de florür tek değerlikli iyonlardır;yani yüklerinin çarpımı 1’dir.Bununla birlikte, kalsiyum ve oksit iyonları iki değerlidir ve yüklerinin çarpımı 4’tür, bu da sodyum florürün dört katıdır. Bu nedenle kalsiyum oksiti gaz iyonlarına ayırmak için sodyum florüre kıyasla yaklaşık dört kat daha fazla enerji gerekir. Dolayısıyla, kafes enerjisinin büyüklüğü, iyon yüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve iyonlar arasındaki mesafe ile ters orantılıdır.

9.5:

Örgü Enerjisindeki Trendler İyon Boyutu ve Yükü

Bir iyonik bileşik, pozitif ve negatif iyonları arasındaki elektrostatik çekim nedeniyle stabildir. Bir bileşiğin örgü enerjisi, bu çekimin gücünün bir ölçüsüdür. Bir iyonik bileşiğin örgü enerjisi (ΔHörgüHlattice)), bir mol kristali gaz haldeki iyonlarına ayrıştırmak için gerekli olan enerji olarak tanımlanır. İyonik katı sodyum klorür için örgü enerjisi, sürecin entalpi değişimidir:

Eq1

Konvansiyon

Burada, iyonik katının iyonlara ayrıldığı, yani örgü enerjilerinin endotermik olacağı (pozitif değerler) konvansiyon kullanılır. Başka bir yol, eşdeğer ancak zıt bir kural kullanmaktır, burada örgü enerjisi ekzotermiktir (negatif değerler) ve iyonlar bir örgü oluşturmak için birleştiğinde açığa çıkan enerji olarak tanımlanır. Bu nedenle, başka bir referanstaki örgü enerjilerine bakarken hangi tanımın kullanıldığını doğruladığınızdan emin olun. Her iki durumda da, örgü enerjisi için daha büyük bir büyüklük, daha kararlı bir iyonik bileşiği gösterir. Sodyum klorür için ΔHörgü = 769 kJ. Bu nedenle, bir mol katı NaCl’yi gaz halindeki Na+ ve Cl iyonlarına ayırmak 769 kJ gerektirir. Gaz halindeki Na+ ve Cl iyonlarının her biri bir mol katı NaCl oluşturduğunda 769 kJ ısı açığa çıkar.

Coulomb Yasası ve Örgü Enerjisi

Bir iyonik kristalin örgü enerjisi ΔHörgü, aşağıdaki denklemle ifade edilebilir (Coulomb yasasından türetilen, elektrik yükleri arasındaki kuvvetleri yöneten): 

ΔHörgü =  C(Z +)(Z)/Ro 

burada C, kristal yapının tipine bağlı olan bir sabittir; Z+ ve Z iyonlar üzerindeki yüklerdir ve Ro interiyonik mesafedir (pozitif ve negatif iyonların yarıçaplarının toplamı). Bu nedenle, bir iyonik kristalin örgü enerjisi, iyonların yükleri arttıkça ve iyonların boyutları küçüldükçe hızla artar. Diğer tüm parametreler sabit tutulduğunda, hem katyon hem de anyonun yükünü ikiye katlamak, örgü enerjisini dört katına çıkarır. 

Örnekler

  1. LiF’nin (Z+ ve Z = 1) örgü enerjisi 1023 kJ/mol iken, MgO’nun (Z+ ve Z = 2) 3900 kJ/mol (Ro neredeyse aynıdır — her iki bileşik için yaklaşık 200 pm).
  2. Farklı atomlararası mesafeler farklı örgü enerjileri üretir. Örneğin, I ile karşılaştırıldığında daha küçük iyonik F boyutunun örgü enerjisi üzerindeki etkisini gözlemlemek için MgF2‘nin (2957 kJ/mol) örgü enerjisini MgI2‘ninkiyle (2327 kJ/mol) karşılaştırın.
  3. Değerli taş yakut, Cr+3 izleri içeren alüminyum oksit, Al2O3‘tür. Al2Se3 bileşiği, bazı yarı iletken cihazların imalatında kullanılır. Bu iki iyonik bileşikte, Z+ ve Z yükleri aynıdır, dolayısıyla örgü enerjisindeki fark Ro‘ya bağlıdır. O2 iyonu Se2 iyonundan daha küçük olduğu için, Al2O3, Al2Se3‘ten daha kısa bir interiyonik mesafeye ve dolayısıyla daha büyük örgü enerjisine sahiptir.
  4. Başka bir örnek, NaCl ile karşılaştırıldığında çinko oksit, ZnO’dur. ZnO daha büyük bir örgü enerjisine sahiptir çünkü ZnO’daki hem katyon hem de anyonun Z değerleri daha büyüktür ve ZnO’nun interiyonik mesafesi NaCl’ninkinden daha küçüktür.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.