Цикл Борна – Габера

Подход к анализу энергий реакций

Цикл Борна -Габера — это подход к анализу энергий реакций . Он был назван в честь двух немецких ученых, Макса Борна и Фрица Габера , которые разработали его в 1919 году. ^{[1] [2] [3]} Он также был независимо сформулирован Казимиром Фаянсом ^[4] и опубликован одновременно в том же журнале. ^[1] Цикл связан с образованием ионного соединения в результате реакции металла ( часто элемента группы I или группы II ) с галогеном или другим неметаллическим элементом, таким как кислород .

Циклы Борна-Габера используются в первую очередь как средство расчета энергии решетки (или, точнее, энтальпии ^{[примечание 1]} ), которую иначе нельзя измерить напрямую. Энтальпия решетки — это изменение энтальпии , связанное с образованием ионного соединения из газообразных ионов ( экзотермический процесс ), или иногда определяемое как энергия разрушения ионного соединения на газообразные ионы (эндотермический процесс ). Цикл Борна-Габера применяет закон Гесса для расчета энтальпии решетки путем сравнения стандартного изменения энтальпии образования ионного соединения (из элементов) с энтальпией, необходимой для образования газообразных ионов из элементов .

Этот расчет решетки сложен. Чтобы получить газообразные ионы из элементов, необходимо атомизировать элементы (превратить каждый в газообразные атомы), а затем ионизировать атомы. Если элемент обычно представляет собой молекулу, то мы сначала должны рассмотреть его энтальпию диссоциации связи (см. Также энергию связи ). Энергия, необходимая для удаления одного или нескольких электронов для образования катиона , представляет собой сумму последовательных энергий ионизации ; например, энергия, необходимая для образования Mg ^2+, представляет собой энергию ионизации, необходимую для удаления первого электрона от Mg, плюс энергию ионизации, необходимую для удаления второго электрона из Mg ⁺ . Сродство к электрону определяется как количество энергии, выделяемой при присоединении электрона к нейтральному атому или молекуле в газообразном состоянии с образованием отрицательного иона.

Цикл Борна-Габера применим только к полностью ионным твердым веществам, таким как некоторые галогениды щелочных металлов . Большинство соединений включают ковалентный и ионный вклад в химическую связь и энергию решетки, которая представлена ​​расширенным термодинамическим циклом Борна-Габера. ^[5] Расширенный цикл Борна–Габера можно использовать для оценки полярности и атомных зарядов полярных соединений.

Примеры

Образование LiF

Цикл Борна – Габера для стандартного изменения энтальпии образования фторида лития . ΔH _latt соответствует UL _в тексте. Стрелка вниз «сродство к электрону» показывает отрицательную величину –EA _F , поскольку EA _F обычно определяется как положительная.

Энтальпия образования фторида лития (LiF) из его элементов в стандартных состояниях (Li(s) и F ₂ (г)) моделируется на схеме в пять этапов:

1. Энтальпия распыления лития
2. Энтальпия ионизации лития
3. Энтальпия распыления фтора
4. Сродство к электрону фтора
5. Решётчатая энтальпия

Сумма энергий каждой стадии процесса должна равняться энтальпии образования фторида лития . ${\displaystyle \Delta H_{f}}$

${\displaystyle \Delta H_{f}=V+{\frac {1}{2}}B+{\mathit {IE}}_{{\ce {M}}}-{\ce {EA}}_{{\ce {X}}}+U_{L}}$

• V — энтальпия сублимации атомов металла (лития)
• B – энтальпия связи (F ₂ ). Коэффициент 1/2 используется потому, что реакция образования Li + 1/2 F ₂ → LiF.
• ${\displaystyle {\ce {{\mathit {IE}}_{M}}}}$– энергия ионизации атома металла: ${\displaystyle {\ce {{M}+{\mathit {IE}}_{M}->{M+}+e^{-}}}}$
• ${\displaystyle {\ce {{\mathit {EA}}_{X}}}}$- сродство к электрону атома неметалла X (фтора)
• ${\displaystyle U_{L}}$- энтальпия решетки (здесь она определяется как экзотермическая)

Чистая энтальпия образования и первые четыре из пяти энергий могут быть определены экспериментально, но энтальпию решетки нельзя измерить напрямую. Вместо этого энтальпия решетки рассчитывается путем вычитания остальных четырех энергий цикла Борна-Габера из чистой энтальпии образования. Аналогичный расчет применим для любого металла, кроме лития, и/или любого неметалла, кроме фтора. ^[6]

Слово цикл относится к тому факту, что можно также приравнять нулю общее изменение энтальпии циклического процесса, начинающегося и заканчивающегося LiF(s) в данном примере. Это ведет к

${\displaystyle 0=-\Delta H_{f}+V+{\frac {1}{2}}B+{\mathit {IE}}_{{\ce {M}}}-{\mathit {EA}}_{{\ce {X}}}+U_{L}}$

что эквивалентно предыдущему уравнению.

Образование NaBr

При обычных температурах Na находится в твердом состоянии, а Br ₂ — в жидком, поэтому в уравнение добавляется энтальпия испарения жидкого брома:

${\displaystyle \Delta H_{f}=V+{\frac {1}{2}}B+{\frac {1}{2}}\Delta _{vap}H+{\mathit {IE}}_{{\ce {M}}}-{\ce {EA}}_{{\ce {X}}}+U_{L}}$

В приведенном выше уравнении – энтальпия испарения Br ₂ при интересующей температуре (обычно в кДж/моль). ${\displaystyle \Delta _{vap}H}$

Смотрите также

• Ионные жидкости

Примечания

1. Разница между энергией и энтальпией очень мала, и эти два термина часто свободно меняются местами.

Рекомендации

1. Моррис, DFC; Короткий, EL (6 декабря 1969 г.). «Корреляция Борна-Фаянса-Габера». Природа . 224 (5223): 950–952. Бибкод : 1969Natur.224..950M. дои : 10.1038/224950a0. S2CID  4199898. Более правильным названием было бы термохимическая корреляция Борна–Фаянса–Габера.
2. М. Борн Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1919, 21 , 679–685.
3. Ф. Хабер Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1919, 21 , 750–768.
4. К. Фаянс Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 1919, 21 , 714–722.
5. Х. Хайнц и UW Suter Journal of Physical Chemistry B 2004, 108 , 18341–18352.
6. Мур, Станицкий и Юрс. Химия: Молекулярная наука. 3-е изд. 2008. ISBN 0-495-10521-X . стр. 320–321. 

Внешние ссылки

• ChemGuy о цикле Борна-Габера