الطاقة اللازمة لتكوين الرابطة الأيونية
- في حالة تكوين المادة الصلبة الأيونية المعروفة كلوريد الصوديوم لدينا – Na + Cl، فإن الطاقة اللازمة لوضعها في تأين الصوديوم ΔH ion تساوي +496 كيلو جول لكل مول.
- وجد أن الطاقة اللازم وضعها لتأين الصوديوم أكبر من الطاقة اللازم وضعها لتأين إلكترون على الكلور، أي المقصود المحتوى الحراري الناتج من ارتباط الإلكترون (Enthalpy of electron attachment)، حيث أن ΔH EA تساوي -EA وتساوي -349 كيلو جول لكل مول.
- من الواضح لدينا أن هناك بعض طاقة التفاعل الإضافية والتي تتضمن كلا من الكهرباء الساكنة (electrostatics) وطاقة الشبكة (lattice energy).
- العامل الحاسم لدينا هو عبارة عن طاقة الشبكة.
طاقة الشبكة (Lattice Energy)
حيث أنه يرمز لها بـ L0 أو ΔU (عند درجة حرارة تساوي 0 كلفن): هو عبارة عن تفاعل طويل المدى ينتج عن طريق عملية التجاذب الكولومبي (coulombic attraction) بين الأيونات.
يتم تعريفه على أنه عبارة عن التغيير الذي يحدث في الطاقة الداخلية والمصاحب لتكوين مول واحد من المادة الصلبة من أيونات الطور الغازي المكونة لها عند درجة حرارة تساوي صفر كلفن، وذلك عندما يتم تجميعها معًا من اللانهاية.
Mn+(g) + nX-(g) → MXn(s)
لاحظ أن هذه العملية شديدة الحرارة أي تتطور فيها الحرارة، حيث أن الطاقة تمتلك قيمة سالبة (ΔH = -ve).
لا يمكننا أن نقوم بعملية قياس لقيمة الطاقة الشبكية L0 تجريبيًا، ولكن يمكننا بالفعل تحديد قيمتها من خلال طريقتان مختلفتان وهما كالتالي:
- عن طريق عملية حساب، حيث تتم استنادًا إلى نموذج إلكتروستاتيكي للشبكة الأيونية ذات الحالة الصلبة، حيث تعتبر الأيونات فيها بمثابة شحنات نقطية.
- يمكننا أيضًا أن نقوم بتحديد قيمة الطاقة من خلال دورة هابر (Born-Haber).
مقارنة بين الطاقات الشبكية المحسوبة و التجريبية
النواحي التي اتفقتا فيها القيم
- بالنسبة لكلوريد الصوديوم، تكون قيمة (ΔH lattice) المحددة باستخدام دورة Born-Haber تساوي -788 كيلو جول لكل مول، أما بالنسبة للقيمة المحسوبة (باستخدام قيمة تجريبية لـ r0 من بيانات حيود الأشعة السينية) من معادلة Born-Mayer تساوي -751 كيلو جول لكل مول.
- كما ولوحظ اتفاق مماثل لجميع هاليدات الفلزات القلوية، وفلوريدات مجموعة الفلزات القلوية الترابية، مما يشير إلى أن النموذج الأيوني هو تقريب جيد لهذا النوع من المركبات.
النواحي التي وجد بها ضعف واختلاف بينهما
- بالنسبة ليوديد الكادميوم CdI2، يوجد فرق كبير بين القيمة المحسوبة (-1986 كيلوجول لكل مول) والقيمة التجريبية (-2435 كيلوجول لكل مول ).
- يشير هذا إلى أن النموذج الكهروستاتيكي غير مناسب لهذا، ولغيره من المركبات ذات الهياكل الطبقية، حيث تم ملاحظة أن قوى (van der Waals) تعمل بين الطبقات في بنية (CdI2)، كما وتم ملاحظة أيضًا المساهمات من الترابط التساهمي تم العثور على تباينات مماثلة بالنسبة لهاليدات النحاس (II) (zinc blende lattice) و بالنسبة ل AgI ذو (Wurtzite lattice).
الجاذبية الكولومبية
داخل زوج من الأيونات معزول: قبل أن نقوم بالتفكير في الشبكة الأيونية، لنفكر أولا في حالة عندما يتم جمع اثنين من الأيونات المفردة من خلال الفصل اللانهائي للعمل على تشكيل زوج أيوني معزول.
Mz+(g) + Xz-(g) → MX(g)
- حيث يتم إعطاء التغيير في الطاقة الداخلية من خلال المعادلة التالية:
ΔU= -( e^2 * القيمة المطلقة -Z * القيمة المطلقة+ Z) / (4 Π ε0 r)، حيث أن z + و z- هي عبارة عن الشحنات، e هي عبارى عن شحنة الإلكترون، ε0 هي عبارة عن سماحية الفراغ، وأما بالنسبة لـ r هي عبارة عن المسافة الداخلية للنواة بين الأيونات.
- يمكن أن يتم كتابة سلسلة مماثلة لشبكة بلورة آخرى، ولكن يكون لنوع بنية معين، فإن الشبكة لا تعتمد على قيم z + و z- و r، باستخدام ثابت مادولينغ:
ΔU= -( L * A * e^2 * القيمة المطلقة -Z * القيمة المطلقة+ Z) / (4 Π ε0 r)، حيث أن L هو عدد أفوغادرو ويساوي 6.022x 10^23 لكل مول، بينما A هو ثابت مادولينغ ليس له وحدة وهو يختلف تبعا لشكل الهيكل، القيم التالية ستوضح المقصود:
مثلا هيكل من نوع سيزيوم كلوريد CsCl يمتلك ثابت مادولينغ ذو القيمة 1.763، بينما الصوديوم كلوريد NaCl يمتلك ثابت مادولينغ ذو القيمة 1.748، أما الفلوريت CaF2 يمتلك قيمة ثابت مادولينغ 2.519، كبريتيد الزنك ZnS يمتلك قيمة ثابت مادولينغ 1.638، وورتزيت ZnS يمتلك قيمة ثابت مادولينغ 1.641، روتيل MgF2 يمتلك قيمة ثابت مادولينغ 2.408.
قوى بور (قوى التنافر)
Born Forces (Repulsive forces): تلعب تفاعلات التنافر بين الإلكترون مع الإلكترون والنواة مع النواة دورًا عندما يتم تجميع الشبكة من الأيونات الغازية، حيث تقوم هذه فقط بموازنة جاذبية كولومبيك على مسافة توازن d ، مما يضمن عدم انهيار الشبكة الأيونية.
- تظهر الزيادة في الطاقة الطاردة (دلتا U)، عبر المعادلة التالية حيث أن (B هو عبارة عن معامل التنافر، n هو عبارة عن Born exponent ويساوي 5-12، اعتمادًا على حجم الأيونات، L هو عدد أفوغادرو): ΔU = (LB/ r^n)
- طاقة الشبكة ودورة بورن هابر، حيث أن دورة Born-Haber هي عبارة عن تطبيق قانون Hess على المحتوى الحراري لتكوين مادة صلبة أيونية عند درجة حرارة تساوي 298 كلفن.
- قانون هيس ينص على أن إجمالي التغير في المحتوى الحراري للتفاعل هو عبارة عن مجموع كل التغييرات.
