Sólidos Iônicos e Energética da Rede Cristalina
Sólidos iônicos são mantidos unidos pela atração eletrostática de íons de cargas opostas, e sua energia de rede — quantificada por modelos eletrostáticos e ciclos termodinâmicos — governa sua estabilidade e propriedades.
Definition
A energética da rede cristalina é o tratamento quantitativo da energia de sólidos iônicos — a energia necessária para separar o cristal em íons gasosos — usando modelos eletrostáticos e ciclos termodinâmicos para relacionar a estrutura à estabilidade.
Scope
Este tópico aborda o modelo iônico e sua energética: a soma eletrostática de Madelung, as expressões de Born–Landé e Born–Mayer que adicionam repulsão de curto alcance, a determinação experimental da energia de rede através do ciclo de Born–Haber, e o uso de energias de rede para racionalizar pontos de fusão, solubilidades e a estabilidade de estados de oxidação incomuns. Ele trata especificamente da energética, deixando a descrição geométrica das estruturas para o tópico de empacotamento compacto.
Core questions
- O que é energia de rede e como ela é definida?
- Como a equação de Born–Landé combina atração e repulsão?
- Como um ciclo de Born–Haber determina a energia de rede experimentalmente?
- Como as energias de rede explicam a solubilidade e a estabilidade do estado de oxidação?
Key concepts
- Modelo iônico
- Constante de Madelung
- Equações de Born–Landé e Born–Mayer
- Ciclo de Born–Haber
- Entalpia de rede
- Efeitos de carga e tamanho
Key theories
- Eletrostática de Madelung e a equação de Born–Landé
- A soma das interações de Coulomb sobre uma rede iônica infinita fornece a energia de Madelung, e a adição de um termo de repulsão de Born resulta na equação de Born–Landé, que prevê energias de rede em boa concordância com o experimento.
- Ciclo de Born–Haber
- Um ciclo termodinâmico da lei de Hess que relaciona as entalpias de atomização, ionização, ganho de elétrons e formação permite que a energia de rede seja determinada a partir de quantidades mensuráveis, testando o modelo iônico.
- Energia de rede e tendências químicas
- A energia de rede aumenta com a carga iônica e diminui com o tamanho iônico, explicando as tendências no ponto de fusão, dureza e solubilidade, e a estabilização termodinâmica de espécies de alta ou baixa carga no estado sólido.
Clinical relevance
A energética da rede cristalina explica por que alguns sais são solúveis e outros insolúveis, orienta a formulação de materiais e produtos farmacêuticos, e fundamenta a estabilidade termodinâmica de pigmentos, cerâmicas e materiais de eletrodos de bateria.
History
A teoria eletrostática dos cristais iônicos foi desenvolvida na década de 1910 por Madelung, Born e Landé, que calcularam as energias de rede a partir da geometria cristalina. O ciclo termodinâmico de Haber, refinado com Born, forneceu uma rota experimental para a mesma quantidade, estabelecendo a energia de rede como um pilar da termodinâmica inorgânica do estado sólido.
Key figures
- Max Born
- Alfred Landé
- Fritz Haber
- Erwin Madelung
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Seminal works
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- weller2018
Frequently asked questions
- Por que os sais de íons pequenos e altamente carregados têm pontos de fusão tão altos?
- A energia de rede aumenta com o produto das cargas iônicas e diminui com a distância entre os íons, de modo que íons pequenos e altamente carregados produzem uma ligação eletrostática especialmente forte, que deve ser superada para fundir o sólido, resultando em altos pontos de fusão.
- O que um ciclo de Born–Haber permite calcular?
- Ao aplicar a lei de Hess a um ciclo fechado de etapas de entalpia que conectam os elementos, seus íons gasosos e o composto sólido, o ciclo permite resolver para a energia de rede, que não pode ser medida diretamente, a partir de quantidades que podem.