9.4

Born-Haber Döngüsü

21.5K views02:44 min

İyonik bağların oluşumu, bir metalden ametal atoma elektron aktarımı ile gerçekleşir bu genellikle endotermik bir süreçtir. Bununla birlikte, sodyum ve klor elementleri, katı bir sodyum 5 00:00:13, 170 000:16, 447 klorür kristali oluşturmak için reaksiyona girdiğinde, bu oldukça ekzotermik bir süreçtir. Peki bu enerji nereden geliyr?

Coulomb yasasına göre, katyonlar ve anyonlar güçlü elektrostatik kuvvetler tarafından katı bir diziye veya kafese çekilir. Ortaya çıkan kafes yapısı, ısı olarak salınan potansiyel enerjinin ekzotermik bir reaksiyonla azaltılmasıyla stabilize edilir. Bir kristal kafesin gaz bileşenlerine dönüşmesi veya bozulmasıyla ilişkili toplam enerjiye kafes enerjisi denir.

Katı iyonik bir bileşikte, çok sayıda yüklü parçacık birbirleriyle etkileşime girerek kafes enerjisinin tam değerini deneysel olarak belirlemeyi zorlaştırır. Bununla birlikte, Hess yasası kullanılarak, kurucu elementlerinden iyonik bir bileşiğin oluşumunu temsil eden Born Haber döngüsü adı verilen varsayımsal bir dizi adımda hesaplanabilir. Örneğin, sodyum klorür oluşumu için Born-Haber döngüsü, biri doğrudan diğeri dolaylı olmak üzere iki alternatif yolu dikkate alır.

Doğrudan yolda, sodyum ve klor elementlerinden NaCl oluşumunun standart entalpisini temsil eder. Dolaylı yolun beş adımı vardır. Birinci aşamada, katı hal sodyum, gaz halindeki şekline dönüştürülür.

Daha sonra, iki atomlu klor molekülleri, gaz halindeki klor atomlarına ayrışır. Üçüncü ve dördüncü adımlar iyonları oluşturmak için elektron transferini açıklar. Gaz halindeki sodyumdan bir elektron çıkarılır ve bir sodyum katyonu oluşturulur.

Elektron daha sonra bir klorür anyonu oluşturmak üzere gaz halindeki klor tarafından alınır. Son aşamada, gaz halindeki iyonlar arasındaki elektrostatik çekim, kafes yapısının oluşumuna yol açar. Hess yasası, aşamalı bir sürecin toplam entalpisindeki değişimin, her adımdaki entalpi değişikliklerinin toplamı olduğunu belirtir.

Direkt yolun entalpi değerinin anlamı, beş adımın entalpilerinin toplamına eşittir. Kafes enerjisi denklemini çözerek, ekzotermik reaksiyonu ifade eden büyük negatif yönlü bir değer belirlenir.

Overview

Loading...

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Örgü Enerjisi

İyonik bir bileşik, pozitif ve negatif iyonları arasındaki elektrostatik çekim nedeniyle kararlıdır. Bir bileşiğin örgü enerjisi, bu çekim gücünün bir ölçüsüdür. Bir iyonik bileşiğin örgü enerjisi (ΔH_lattice) bir mol katıyı gaz iyonlarına dönüştürmek için gerekli olan enerji olarak tanımlanır.

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 salınan enerji olarak tanımlanır. Bu nedenle, başka bir referanstaki örgü enerjilerine bakarken hangi tanımın kullanıldığını doğruladığınızdan emin olun.

Her iki durumda da, büyük bir örgü enerjisi, daha kararlı bir iyonik bileşiği gösterir. Sodyum klorür için ΔH_lattice = 769 kJ'dir. 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.

İyonik Bir Bileşiğin Örgü Enerjisinin Tayini

Örgü enerjilerini doğrudan ölçmek mümkün değildir. Bununla birlikte, örgü enerjisi, termokimyasal bir döngü kullanılarak hesaplanabilir. Born-Haber döngüsü, bir iyonik katının oluşumunu bir dizi bireysel adıma ayıran Hess yasasının bir uygulamasıdır:

Cs(k) süblimasyon entalpisi	Cs(k) → Cs(g)		ΔH = ΔH_k° = 76,5 kJ/mol
F₂'nin bağ enerjisinin yarısı	½ F₂(g) → F(g)		ΔH = ½ D = 79,4 kJ/mol
Cs(g)'nin iyonlaşma enerjisi	Cs(g) → Cs⁺(g) + e⁻		ΔH = IE = 375,7 kJ/mol
F'nin elektron afinitesi	F(g) + e⁻ → F⁻(g)		ΔH = EA = −328,2 kJ/mol
CsF(s)'nin örgü enerjisinin negatifi	Cs⁺(g) + F⁻(g) → CsF(k)		ΔH = −ΔH_örgü= ?
CsF(s) oluşum entalpisi, adım 1–5' kadar toplayın	ΔH = ΔH_f° = ΔH_s°+ ½D + IE + (EA) + (−ΔH_örgü) Cs(k) + ½F₂(g) → CsF(k)		ΔH = −553,5 kJ/mol

Cs (s) ve F₂ (g) için en yaygın hallerindeki elementleri düşünün.
ΔH_s°, katı sezyumun gaza dönüşümünü (süblimasyon) temsil eder ve daha sonra iyonizasyon enerjisi, gaz halindeki sezyum atomlarını katyonlara dönüştürür.
Bir sonraki adımda, flor atomları üretmek için F–F bağını kırmak için gereken enerji hesaba katılmalıdır.
Bir mol flor atomunu florür iyonlarına dönüştürmek ekzotermik bir süreçtir, bu nedenle bu adım enerji verir (elektron afinitesi).
Şimdi, bir mol Cs katyonu ve bir mol F anyonu mevcuttur. Bu iyonlar, katı sezyum florür üretmek için birleşir. Bu adımdaki entalpi değişimi, örgü enerjisinin negatifidir, bu nedenle aynı zamanda ekzotermik bir niceliktir.
Bu dönüşümde yer alan toplam enerji, bileşiğin elementlerinden deneysel olarak belirlenen oluşum entalpisine, ΔH_f°'e eşittir. Bu durumda, genel değişim ekzotermiktir.

İyonik bileşikler için hesaplanan örgü enerjileri tipik olarak kovalent bağlar için ölçülen bağ ayrışma enerjilerinden çok daha yüksektir. Örgü enerjileri tipik olarak 600 – 4000 kJ/mol (bazıları daha da yüksek) aralığında değişirken, kovalent bağ ayrışma enerjileri tipik olarak tek bağlar için 150 – 400 kJ/mol arasındadır. Keep in mind, however, that these are not directly comparable values. For ionic compounds, lattice energies are associated with many interactions, as cations and anions pack together in an extended lattice. For covalent bonds, the bond dissociation energy is related to the interaction of just two atoms.

İyon Yarıçapı ve Yükünün Bir Fonksiyonu Olarak Örgü Enerjisi

Bir iyonik kristalin örgü enerjisi, iyonların yükleri arttıkça ve iyonların boyutları azaldıkça hızla artar. Diğer tüm parametreler sabit tutulduğunda, hem katyon hem de anyon yükünü iki katına çıkarmak örgü enerjisini dört katına çıkarır. Örneğin, LiF'nin (Z⁺ and Z^– = 1) örgü enerjisi 1023 kJ/mol iken, MgO'nun (Z⁺ and Z^–= 2) 3900 kJ/moldür (R_o = pozitif ve negatif iyonların yarıçaplarının toplamı olarak tanımlanan interiyonik mesafe neredeyse aynıdır - her iki bileşik için yaklaşık 200 pm).

Farklı interatomik mesafeler farklı örgü enerjileri üretmektedir. Örneğin, MgF₂'nin örgü enerjisini (2957 kJ / mol) MgI₂ (2327 kJ / mol) ile karşılaştırın, bu da I^– ile karşılaştırıldığında daha küçük F^– iyonik boyutunun kafes enerjisi üzerindeki etkisini gösterir.

Born-Haber Döngüsünün Diğer Uygulamaları

Born-Haber döngüsü, geri kalanının bilinmesi koşuluyla, kafes enerjisi için denklemdeki diğer miktarlardan birini hesaplamak için de kullanılabilir. Örneğin, süblimasyon entalpisi ΔH_s°, iyonizasyon enerjisi (IE), bağ ayrışma entalpisi (D), örgü enerjisi ΔH_örgü ve standart oluşum entalpisi ΔH_f° biliniyorsa, Born-Haber döngüsü bir atomun elektron afinitesini belirlemek için kullanılabilir.

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

Transcript

Loading...

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İyonik bağların oluşumu, bir metalden ametal atoma elektron aktarımı ile gerçekleşir bu genellikle endotermik bir süreçtir. Bununla birlikte, sodyum ve klor elementleri, katı bir sodyum 5 00:00:13, 170 000:16, 447 klorür kristali oluşturmak için reaksiyona girdiğinde, bu oldukça ekzotermik bir süreçtir. Peki bu enerji nereden geliyr?

Coulomb yasasına göre, katyonlar ve anyonlar güçlü elektrostatik kuvvetler tarafından katı bir diziye veya kafese çekilir. Ortaya çıkan kafes yapısı, ısı olarak salınan potansiyel enerjinin ekzotermik bir reaksiyonla azaltılmasıyla stabilize edilir. Bir kristal kafesin gaz bileşenlerine dönüşmesi veya bozulmasıyla ilişkili toplam enerjiye kafes enerjisi denir.

Katı iyonik bir bileşikte, çok sayıda yüklü parçacık birbirleriyle etkileşime girerek kafes enerjisinin tam değerini deneysel olarak belirlemeyi zorlaştırır. Bununla birlikte, Hess yasası kullanılarak, kurucu elementlerinden iyonik bir bileşiğin oluşumunu temsil eden Born Haber döngüsü adı verilen varsayımsal bir dizi adımda hesaplanabilir. Örneğin, sodyum klorür oluşumu için Born-Haber döngüsü, biri doğrudan diğeri dolaylı olmak üzere iki alternatif yolu dikkate alır.

Doğrudan yolda, sodyum ve klor elementlerinden NaCl oluşumunun standart entalpisini temsil eder. Dolaylı yolun beş adımı vardır. Birinci aşamada, katı hal sodyum, gaz halindeki şekline dönüştürülür.

Daha sonra, iki atomlu klor molekülleri, gaz halindeki klor atomlarına ayrışır. Üçüncü ve dördüncü adımlar iyonları oluşturmak için elektron transferini açıklar. Gaz halindeki sodyumdan bir elektron çıkarılır ve bir sodyum katyonu oluşturulur.

Elektron daha sonra bir klorür anyonu oluşturmak üzere gaz halindeki klor tarafından alınır. Son aşamada, gaz halindeki iyonlar arasındaki elektrostatik çekim, kafes yapısının oluşumuna yol açar. Hess yasası, aşamalı bir sürecin toplam entalpisindeki değişimin, her adımdaki entalpi değişikliklerinin toplamı olduğunu belirtir.

Direkt yolun entalpi değerinin anlamı, beş adımın entalpilerinin toplamına eşittir. Kafes enerjisi denklemini çözerek, ekzotermik reaksiyonu ifade eden büyük negatif yönlü bir değer belirlenir.