الاتجاهات في الطاقة الشبكية- حجم الأيون وشحنته

مركب أيوني مستقر بسبب الجاذبية الكهروستاتيكية بين أيونات موجبة وسالبة. الطاقة الشبكية لمركب هي مقياس لقوة هذا التجاذب. تُعرَّف طاقة شبكية (ΔH_lattice) لمركب أيوني بأنها الطاقة المطلوبة لفصل مول واحد من المادة الصلبة عن أيونات الغازات المكونة له. بالنسبة لكلوريد الصوديوم الأيوني الصلب، فإن الطاقة الشبكية هي التغير في المحتوى الحراري للعملية:

الاتفاقيات

هنا، يتم استخدام الإتفاقية حيث يتم فصل الصلب الأيوني إلى أيونات، مما يعني أن طاقات شبكية ستكون ماصة للحرارة (قيم موجبة). ثمة طريقة أخرى لاستخدام تقليد مكافئ لكن معاكس، حيث تكون طاقة الشبكة طاردة للحرارة (قيم سالبة)، ويُوصف بأنها الطاقة التي يتم إطلاقها عندما تتحد الأيونات لتكوين شبكية. لذلك، تأكد من تحديد التعريف المستخدم عند البحث عن مصادر شبكية في مرجع آخر. في كلتا الحالتين، يشير الحجم الأكبر للطاقة الشبكية إلى مركب أيوني أكثر ثباتًا. بالنسبة لكلوريد الصوديوم، تكون قيمة H_lattice = 769 كيلوجول. وبالتالي، يتطلب الأمر استخدام 769 كيلوجول لفصل مول واحد من NaCl الصلب إلى أيونات غازية Na⁺ و Cl^–. عندما تتكون أيونات من أيونات غازية من نوع Na⁺ و Cl^{– من NaCl صلب، يتم تحرير 769 كيلوجول من الحرارة.}

قانون كولومب’ والطاقة الشبكية

الطاقة الشبكية ΔH_lattice لبلورة أيونية يمكن التعبير عنها بالمعادلة التالية (المستمدة من قانون كولومب’، الذي يحكم القوى بين الشحنات الكهربائية):  

ΔH_lattice =  C(Z ⁺)(Z⁻)/R_o 

حيث C ثابت يعتمد على نوع البنية البلورية؛Z⁺ و Z^– هي الشحنات على الأيونات، و R_o هو المسافة بين الأيونات (مجموع شعاع الأيونات الموجبة والسالبة). وبالتالي، تزداد الطاقة الشبكية للكريستال الأيوني بسرعة مع زيادة شحنات الأيونات وانخفاض أحجام الأيونات. عندما يتم الحفاظ على ثبات جميع المعلمات الأخرى، فإن مضاعفة شحن كل من الشحونَين إلى أربعة أضعاف الطاقة الشبكية.  

أمثلة

1. تبلغ طاقة شبكية LiF (Z⁺ و Z^– = 1) هي 1023 كيلوجول/مول، بينما MgO (Z⁺ و Z^– = 2) هي 3900 كيلوجول/مول (R_o هي نفسها — تقريباً حوالي 200 pm لكلتا المركبين).
2. تنتج المسافات بين الذرات المختلفة طاقات شبكية مختلفة. على سبيل المثال، قارن طاقة شبكية MgF₂ (2957 كيلوجول/مول) بـ MgI₂ (2327 كيلوجول/مول) لملاحظة التأثير على طاقة شبكية بحجم أيوني أصغر من FF^– مقارنة بـ I^–.
3. جوهرة الياقوت الثمينة هي أكسيد الألومنيوم، Al₂O₃، التي تحتوي على آثار Cr³⁺. يُستخدم المركّب Al₂Se₃ في تصنيع بعض أجهزة أشباه الموصلات. في هذين المركبين الأيونيين، تكون الشحنات Z⁺ و Z^– هي نفسها، لذا يعتمد الاختلاف في طاقة شبكية على R_o. بما أن الأيون O₂^– أصغر من الأيون Se₂^– فإن Al₂O₃ له مسافة أيونية أقصر من Al₂Se₃، وبالتالي، لديه طاقة شبكية أكبر.
4. ومن الأمثلة الأخرى أكسيد الزنك، ZnO، مقارنة بـ NaCl. لدى ZnO طاقة شبكية أكبر لأن قيم Z لكلٍ من الكاتيون والأنيون في ZnO أكبر، والمسافة الأيونية بين ZnO أصغر من قيمة NaCl.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.