Born–Haberov ciklus

Born–Haberov ciklus
Born–Haberov ciklus
Anonim

Godine 1917. Born i Haber su predložili termodinamički ciklus za proračun energije rešetke jonskih supstanci ((Δ Eret). Proračun se vrši prema zakonu Hessa U ovom ciklusu se uzima u obzir heterogena reakcija za sintezu soli.

A) Za jedinjenja tipa MX (na primjer: NaCl, KBr, CsI itd.):

slika
slika

b) Za jedinjenja tipa MX2 (na primjer CaF2, MgBr2 itd.):

slika
slika

Sa izuzetkom Δ Eret, sve ostale vrijednosti su tabelirane ili se mogu dobiti eksperimentalno. Prikazane entalpije označavaju:

  • Δ Hof=standardna entalpija formiranja jonske čvrste supstance. Standardna entalpija stvaranja tvari je toplina (pri konstantnom pritisku) koja se oslobađa ili troši u formiranju 1 mol tvari iz jednostavnih supstanci u standardnom stanju (najstabilnije fizičko i alotropno stanje na 298 K i 1 atm). Po konvenciji, elementarne supstance imaju standardnu entalpiju jednaku nuli.
  • Δ Hosub=entalpija sublimacije (ili isparavanja) metala.
  • Edis =energija disocijacije – energija potrebna za disocijaciju (X2 → 2X) 1 mol molekula gasa. Naziva se i energija atomizacije.
  • Δ HPI=potencijal jonizacije.
  • Δ HAE=varijacijaentalpija povezana s procesom afiniteta elektrona (E. A.) (energija elektroafiniteta)

Za formiranje natrijum hlorida mora se desiti transfer elektrona (redox reakcija). Born-Haberov ciklus pokušava prikazati energiju koraka uključenih u reakciju između supstanci u njihovim elementarnim oblicima. U specifičnom slučaju natrijum hlorida, prenos elektrona se dešava sa čvrste materije na hlor.

slika
slika

Naznačeni koraci u Born-Haberovom ciklusu za NaCl su sljedeći:

  1. Heterogena reakcija stvaranja soli iz jednostavnih supstanci. Na (s) + ½ Cl2 (g) → NaCl (s) (Δ H of=-411, 1 kJ/mol).
  2. Vaporizacija (sublimacija) metalne čvrste supstance, koja je čvrsta na sobnoj temperaturi. Na (s) → Na (g) (Δ Hosub=+107,8 kJ/mol).
  3. Disocijacija (homogena razgradnja) dvoatomskog molekula Cl2, stvarajući atome hlora. Cl-Cl (g) → 2 Cl (g) (Edis =+121 kJ/mol). Dakle, 1/2 Edis=119,9 kj/mol.
  4. Jonizacija natrijuma u gasnoj fazi. Na (g) → Na+ (g) + 1e (Δ HPI=+495,4 kJ/mol).
  5. Formiranje Cl u gasnoj fazi. Afinitet prema elektronu i energija koja se oslobađa dodavanjem elektrona atomu u plinovitom stanju. Cl (g) + 1e →Cl (g) (Δ HAE=-348,8 kJ/mol).
  6. Formiranje jonskih parova u gasnoj fazi [Na+Cl], na osnovu elektrostatičke privlačnosti. Ravnoteža između elektrostatičkog privlačenja i odbijanja uzrokuje uspostavljanje ravnotežne međujonske udaljenosti, čineći sistem stabilnijim od izolovanih jona. Ovi parovi su u gasovitom obliku, ali pod elektrostatičkom privlačnošću koja se vrši na sve jone, skup parova se povećava. Na taj način počinje da dolazi do susreta i preklapanja parova, sve dok se ne formira jedna grupa koja će činiti trodimenzionalnu makroskopsku kristalnu čvrstu materiju, sa definisanom i stabilnom geometrijom. Stabilnost se postiže zbog iscrpljivanja energije vezanog sistema, uzrokovanog oslobađanjem energije: energije rešetke (Δ Eret). Tako se Δ Eret može smatrati merom energije (ili snage) jonske veze. Stoga, što je manja vrijednost Δ Eret, veća je energija oslobođena u ovoj fazi, stabilnija je kristalna rešetka. U slučaju NaCl, koristeći Hessov zakon, imamo ΔEret=-785,4 kj/mol. Formiranje drugih jonskih jedinjenja odvija se na način analogan onome koji je predložen za NaCl, poštujući, naravno, posebnosti svakog ciklusa i stehiometriju soli.

Ukupna potencijalna energija je zbir svih energija uključenih u korake. Dakle, energija rešetke izražava snagu kojom jesuvezanih čestica kristalne čvrste supstance i zavisi od intenziteta sile interakcije između jona i geometrije rešetke. Što je manja međujonska udaljenost kation-anion, veća je privlačnost između suprotnih naboja.

Pogledajmo sljedeću tabelu, sa nekim vrijednostima za Δ Eret.

slika
slika

Ukupno:

  • Formiranje gasovitih jona iz jednostavnih supstanci uključuje rezultirajuće povećanje potencijalne energije:
  • Kondenzacija iona u ionsku čvrstu supstancu dovodi do smanjenja potencijalne energije koja odgovara energiji rešetke:
  • Što je manja kationsko-anjonska međurazdaljina, to je veća privlačnost:
  • Shodno tome, manja (ili veća u modulu) je vrijednost Δ Eret. Dakle, veća je stabilnost kristalne rešetke.

Mogućnost stvaranja jonskog jedinjenja iz njegovih elemenata nastaje kada je smanjenje potencijalne energije veće od povećanja. Drugim riječima, sol će kristalizirati samo ako dođe do oslobađanja energije u njenom formiranju. Dakle, energija egzotermne rešetke treba da bude veća od endotermne kombinacije faktora uključenih u formiranje jona u gasnoj fazi. U suprotnom, jonsko jedinjenje se ne formira, ili formira nestabilnu kristalnu rešetku

Popularna tema