Chất rắn ion và năng lượng mạng lưới

Các chất rắn ion được giữ với nhau bởi lực hút tĩnh điện của các ion trái dấu, và năng lượng mạng lưới của chúng—được định lượng bằng các mô hình tĩnh điện và chu trình nhiệt động lực học—chi phối sự ổn định và các tính chất của chúng.

Definition

Năng lượng mạng lưới là sự xử lý định lượng năng lượng của các chất rắn ion—năng lượng cần thiết để tách tinh thể thành các ion khí—sử dụng các mô hình tĩnh điện và chu trình nhiệt động lực học để liên hệ cấu trúc với sự ổn định.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô hình ion và động năng của nó: tổng Madelung tĩnh điện, các biểu thức Born–Landé và Born–Mayer bổ sung lực đẩy tầm ngắn, xác định thực nghiệm năng lượng mạng lưới thông qua chu trình Born–Haber, và việc sử dụng năng lượng mạng lưới để giải thích điểm nóng chảy, độ hòa tan và sự ổn định của các trạng thái oxy hóa bất thường. Nó xử lý động năng một cách cụ thể, để mô tả hình học của các cấu trúc cho chủ đề đóng gói chặt.

Core questions

• Năng lượng mạng lưới là gì và nó được định nghĩa như thế nào?
• Phương trình Born–Landé kết hợp lực hút và lực đẩy như thế nào?
• Chu trình Born–Haber xác định năng lượng mạng lưới bằng thực nghiệm như thế nào?
• Năng lượng mạng lưới giải thích độ hòa tan và sự ổn định trạng thái oxy hóa như thế nào?

Key concepts

• Mô hình ion
• Hằng số Madelung
• Phương trình Born–Landé và Born–Mayer
• Chu trình Born–Haber
• Entanpy mạng lưới
• Ảnh hưởng của điện tích và kích thước

Key theories

Tĩnh điện Madelung và phương trình Born–Landé

Tổng các tương tác Coulomb trên một mạng lưới ion vô hạn cho năng lượng Madelung, và việc thêm một số hạng lực đẩy Born tạo ra phương trình Born–Landé, dự đoán năng lượng mạng lưới rất phù hợp với thực nghiệm.

Chu trình Born–Haber

Một chu trình nhiệt động lực học theo định luật Hess liên hệ entanpy nguyên tử hóa, ion hóa, thu electron và hình thành cho phép xác định năng lượng mạng lưới từ các đại lượng có thể đo được, kiểm tra mô hình ion.

Năng lượng mạng lưới và xu hướng hóa học

Năng lượng mạng lưới tăng theo điện tích ion và giảm theo kích thước ion, giải thích các xu hướng về điểm nóng chảy, độ cứng và độ hòa tan cũng như sự ổn định nhiệt động lực học của các loài có điện tích cao hoặc thấp ở trạng thái rắn.

Clinical relevance

Năng lượng mạng lưới giải thích tại sao một số muối hòa tan và một số khác không hòa tan, hướng dẫn việc điều chế vật liệu và dược phẩm, và là nền tảng cho sự ổn định nhiệt động lực học của bột màu, gốm sứ và vật liệu điện cực pin.

History

Lý thuyết tĩnh điện về tinh thể ion được phát triển vào những năm 1910 bởi Madelung, Born và Landé, những người đã tính toán năng lượng mạng lưới từ hình học tinh thể. Chu trình nhiệt động lực học của Haber, được tinh chỉnh với Born, đã cung cấp một con đường thực nghiệm để xác định cùng một đại lượng, thiết lập năng lượng mạng lưới như một nền tảng của nhiệt động lực học chất rắn vô cơ.

Key figures

• Max Born
• Alfred Landé
• Fritz Haber
• Erwin Madelung

Seminal works

• born1918
• west2014
• weller2018

Frequently asked questions

Tại sao các muối của các ion nhỏ, điện tích cao lại có điểm nóng chảy cao như vậy?

Năng lượng mạng lưới tăng theo tích của các điện tích ion và giảm theo khoảng cách giữa các ion, vì vậy các ion nhỏ, điện tích cao tạo ra liên kết tĩnh điện đặc biệt mạnh, phải được khắc phục để làm nóng chảy chất rắn, dẫn đến điểm nóng chảy cao.

Chu trình Born–Haber cho phép bạn tính toán điều gì?

Bằng cách áp dụng định luật Hess vào một vòng khép kín các bước entanpy nối các nguyên tố, các ion khí của chúng và hợp chất rắn, chu trình cho phép bạn giải quyết năng lượng mạng lưới, thứ không thể đo trực tiếp, từ các đại lượng có thể đo được.