طاقة الشبكة البلورية

في الكيمياء الطاقة الشبكة البلورية، (صفر كلفن) ΔU، للمركب الأيوني هي عبارة عن التغيير الذي يحدث في الطاقة الداخلية المصاحبة لتشكيل جزيء واحد من المادة الصلبة من أيونات الطور الغازي المكونة لها عند 0 كلفن.

مقدمة في الطاقة الشبكية البلورية

• يمكن الحصول على ملح MXn من خلال التفاعل التالي، حيث يحدد التفاعل التالي التغيير في الطاقة والتي تتوافق مع طاقة الشبكة:

–MXn  ←  M⁺ⁿ + nX

•  طاقة الشبكة البلورية هي الطاقة التي نحتاجها لنقوم بعملية فصل أيونات 1 مول من المركب الأيوني.

• يمكن أن يتم تقدير الطاقة الشبكية، وذلك بافتراض وجود نموذج كهرباء للشبكة الأيونية الصلبة، حيث أن الأيونات تعتبر شحنات نقطية.

• والآن يمكننا أن نأخذ طاقة الشبكة البلورية في الكيمياء على أنها عبارة عن قيمة وكمية الطاقة التي تنبعث عندما يتم ارتباط واتحاد مول واحد من أي مركب أيوني، وهنا يمكننا أن ننظر إليها على أنها عبارة عن طاقة منبعثة وليست طاقة ممتصة.

• لا بد لنا من الإشارة إلى أنه عندما تكون الطاقة ذات قيمة موجبة فذلك يعني أن الطاقة عبارة عن طاقة ممتصة، وحينما تكون قيمة الطاقة سالبة فذلك يعني أن الطاقة تكون منبعثة.

• لا بد أن ننوه أن طاقة الشبكة البلورية تعتمد على كلا من حجم الأيون ومقدار شحنته.

ما هي علاقة طاقة الشبكة البلورية بمقدار شحنة الأيون؟

غالبا بالنسبة لطاقة الشبكة البلورية وعلاقتها بحجم الأيون تكون العلاقة طردية، ومعنى أن تكون العلاقة طردية هو أن طاقة الشبكة البلورية التي تتكون من أيونات كبيرة الشحنة تكون أكبر من طاقة الشبكة البلورية التي تتكون من أيونات صغيرة الشحنة، أي تزداد أحداهما بزيادة الأخرى.

ما هي علاقة طاقة الشبكة البلورية بحجم الأيون؟

• فيما يخص العلاقة بين الطاقة الشبكية البلورية وحجوم الأيونات المتحدة معا فإن هناك علاقة مباشرة بينهما.

• حيث أن الأيونات كبيرة الحجم تحتوي على فراغ في بنيتها، أي أنها لا تكون متراصة بالشكل الكافي لإعطائها خاصية التجاذب القوية التي ينشأ عنها طاقة شبكة بلورية قوية.

• على العكس مما سبق فإن الأيونات صغيرة الحجم تمتلك عدد فراغات أقل وتكون متراصة ومترابطة فيما بينها بشكل أكبر، ونتيجة لذلك فإن الأيونات الصغيرة تمتلك مسافات صغيرة بين بعضها البعض، مما يؤول إلى قوى تجاذب عالية، والتي تؤدي فيما بعد إلى طاقة شبكة بلورية عالية.

• مثلا وتوضيحا لما سبق فإن مركب الصوديوم يمتلك طاقة شبكة بلورية أعلى من طاقة الشبكة البلورية لمركب البوتاسيوم، ويؤول سبب ذلك؛ إلى أن حجم الصوديوم أصغر وبالتالي الترابط يكون أكبر، وذلك يعني طاقة شبكة بلورية أعلى.

ملخص للطاقة الشبكية البلورية

• كما تحدثنا مسبقا فإن طاقة الشبكة البلورية للمركبات تعتمد على عاملين وهما الحجم والشحنة، بالنسبة للمركبات الأيونية مثل مركب كلوريد الليثيوموالفلزات مثل النحاس وغيره من الفلزات، وأيضا المركبات التي ترتبط بروابط تساهمية قوية مثل مركب الألماس والذي يعرف بصلابته العالية، تكون ذات قيمة عالية عندما تتم مقارنتها مع الأجسام الصلبة التي ترتبط جزيئاتها مع بعضها البعض من خلال قوة ضعيفة والمعروفة بقوى فان دير فالس.

• والآن للقيام بحساب طاقة الشبكة البلورية في المركبات الأيونية، يتم ذلك عن طريق عدة طرق، أولا: ثابت ماديلونغ وهو يستخدم للقيام بتحديد الجهد الكهروستاتيكي لأيون واحد في بلورة ما، وذلك يتم عن طريق تقريب الأيونات بواسطة ما يعرف بالشحنات النقطية.

• ثانيا: معادلة بورن-لاندي، وهو عبارة عن هو مفهوم تمت صياغته في الأصل في عام 1918 ميلادي من قبل العلماء بورن ولاند، وتستخدم هذه المعادلة للقيام بحساب طاقة الشبكية البلورية، أي يقوم بقياس قوة الروابط لمركب ما، ويأخذ هذا التعبير في الاعتبار أثناء تفاعلات (Born)، بالإضافة إلى عوامل الجذب كولوم.

• وثالثا: معادلة كابوستينسكي، والتي تقوم بحساب طاقة الشبكة البلورية أيضا.

تجاذب كولوم داخل زوج أيوني معزول

• نبدأ بالنظر في معادلة التغيير في الطاقة الداخلية عند اثنين من الأيونات المشحونة بشحنات عكسية (M(+z و (X(-z، يتم تجميعها من خلال عمليات الفصل اللانهائية؛ لإنتاج زوج الأيونات المعزول MX، عبر التفاعل التالي:

(g) M^-z(g) +  X^+z (g)→ MX

• دع الأيونات تحمل شحنات (z (+e و (z (-e حيث أن e هو عبارة عن الشحنة الإلكترونية و z+ و -z عبارة عن أعداد صحيحة، الأيونات تقوم بجذب بعضها البعض، ويتم إطلاق الطاقة مع إنتاج زوج الأيونات، ويمكن أن يتم تقدير التغيير في الطاقة الداخلية من خلال النظر في تجاذب كولوم داخل زوج أيوني معزول:

• حيث أن e هي شحنة الإلكترونات وتساوي 1.602 * 19^10 كولوم، وبالنسبة لـ π قيمتها تساوي 3.14، أما εْ هي النفاذية للهواء (permittivity) وتساوي 8.854 * -12^10، وبالنسبة لـ r فهي عبارة عن المسافة بين النوى بين الأيونات، ووحدتها تساوي متر.

• النسبة بين الشحنة الموجبة إلى الشحنة السالبة [(z (+e) / (z (-e]، تمتلك قيمة ثابتة لنوع الهيكل المعطى مثلا قيمتها تساوي 1 لـ NaCl.