Back to chapter

9.4:

מעגל בורן-האבר

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Born-Haber Cycle

Languages

Share

יצירת קשרים יוניים מחייבת העברת אלקטרונים מאטום מתכת לאטום של אל-מתכת, תהליך שלעיתים קרובות הוא אנדותרמי. אך כאשר היסודות נתרן וכלור מגיבים זה עם זה ליצירת גביש נתרן כלורי מוצק, זהו תהליך אקסותרמי ביותר. אבל מאיפה האנרגיה?על פי חוק קולון, קטיונים ואניונים נמשכים זה לזה על ידי כוחות אלקטרוסטטיים חזקים ויוצרים מערך מוצק, או סריג. מבנה הסריג הנוצר מתייצב על ידי הקטנת האנרגיה הפוטנציאלית, המשתחררת כחום, תגובה אקסותרמית. האנרגיה הכוללת הקשורה להיווצרות או לפירוק של סריג גבישי למרכיביו הגזיים נקראת אנרגיית סריג”בתרכובת יונית מוצקה, מספר גדול של חלקיקים טעונים נמצאים באינטראקציה זה עם זה, מה שמקשה להוכיח את הערך המדויק של אנרגיית הסריג באמצעות ניסוי.יחד עם זאת, ניתן לחשב את האנרגיה על פי חוק הס בסדרת שלבים היפותטיים הנקראים מעגל בורן-הבר”המתארת היווצרות של תרכובת יונית מהיסודות המרכיבים אותה. לדוגמה, מעגל בורן-הבר להיווצרות נתרן כלורי לוקח בחשבון שני מסלולים חלופיים, אחד ישיר והשני עקיף. המסלול הישיר מייצג את האנתלפיה הסטנדרטית של היווצרות NaCl מהיסודות נתרן וכלור.המסלול העקיף כולל חמישה שלבים. בשלב הראשון, נתרן במצב צבירה מוצק מומר לצורתו הגזית. לאחר מכן, מולקולות כלור דיאטומיות מתנתקות לאטומי כלור גזיים.בשלב השלישי והרביעי, אלקטרון מועבר ונוצרים יונים. אלקטרון נגרע מהנתרן הגזי כדי ליצור קטיון נתרן. האלקטרון נוסף לכלור הגזי ונוצר אניון כלורי.בשלב האחרון, המשיכה האלקטרוסטטית בין היונים הגזיים מובילה להיווצרות של מבנה הסריג. חוק הס קובע כי השינוי באנתלפיה הכוללת של תהליך המתרחש בשלבים הוא סכום שינויי האנתלפיה של כל שלב. כלומר, ערך האנתלפיה של המסלול הישיר שווה לסכום האנתלפיות של חמשת השלבים.על ידי פתרון המשוואה של אנרגיית הסריג נקבע ערך שלילי גדול, שמבטא תגובה אקסותרמית.

9.4:

מעגל בורן-האבר

Lattice Energy 

An ionic compound is stable because of the electrostatic attraction between its positive and negative ions. The lattice energy of a compound is a measure of the strength of this attraction. The lattice energy (ΔHlattice) of an ionic compound is defined as the energy required to separate one mole of the solid into its component gaseous ions. 

Here, the convention is used where the ionic solid is separated into ions, meaning the lattice energies will be endothermic (positive values). Another way is to use an equivalent, but opposite convention, wherein the lattice energy is exothermic (negative values) and described as the energy released when ions combine to form a lattice. Thus, make sure to confirm which definition is used when looking up lattice energies in another reference. 

In both cases, a larger magnitude for lattice energy indicates a more stable ionic compound. For sodium chloride, ΔHlattice = 769 kJ. Thus, it requires 769 kJ to separate one mole of solid NaCl into gaseous Na+ and Cl ions. When one mole each of gaseous Na+ and Cl ions form solid NaCl, 769 kJ of heat is released.

Determination of Lattice Energy of an Ionic Compound

It is not possible to measure lattice energies directly. However, the lattice energy can be calculated using a thermochemical cycle. The Born-Haber cycle is an application of Hess’s law that breaks down the formation of an ionic solid into a series of individual steps:

Enthalpy of sublimation of Cs (s) Cs (s) → Cs (g) ΔH = ΔHs° = 76.5 kJ/mol
One-half of the bond energy of F2 ½ F2 (g) → F (g) ΔH = ½ D = 79.4 kJ/mol
Ionization energy of Cs (g) Cs (g)  → Cs+ (g) + e ΔH = IE = 375.7 kJ/mol
Electron affinity of F F (g) + e → F (g) ΔH = EA = −328.2 kJ/mol
Negative of the lattice energy of CsF (s) Cs+ (g) + F (g) → CsF (s) ΔH = −ΔHlattice = ?
Enthalpy of formation of CsF (s), add steps 1–5 ΔH = ΔHf° = ΔHs°+ ½ D + IE + (EA) + (−ΔHlattice)
Cs (s) + ½ F2 (g) → CsF (s)
ΔH = −553.5 kJ/mol
  1. Consider the elements in their most common states, Cs (s) and F2 (g). 
  2. The ΔHs° represents the conversion of solid cesium into a gas (sublimation), and then the ionization energy converts the gaseous cesium atoms into cations. 
  3. In the next step, the energy required to break the F–F bond to produce fluorine atoms needs to be accounted for. 
  4. Converting one mole of fluorine atoms into fluoride ions is an exothermic process, so this step gives off energy (the electron affinity) 
  5. Now, one mole of Cs cations and one mole of F anions is present. These ions combine to produce solid cesium fluoride. The enthalpy change in this step is the negative of the lattice energy, so it is also an exothermic quantity. 
  6. The total energy involved in this conversion is equal to the experimentally determined enthalpy of formation, ΔHf°, of the compound from its elements. In this case, the overall change is exothermic.

Lattice energies calculated for ionic compounds are typically much higher than bond dissociation energies measured for covalent bonds. Whereas lattice energies typically fall in the range of 600 – 4000 kJ/mol (some even higher), covalent bond dissociation energies are typically between 150 – 400 kJ/mol for single bonds. Keep in mind, however, that these are not directly comparable values. For ionic compounds, lattice energies are associated with many interactions, as cations and anions pack together in an extended lattice. For covalent bonds, the bond dissociation energy is related to the interaction of just two atoms.

Lattice Energy as a Function of Ion Radius and Charge 

The lattice energy of an ionic crystal increases rapidly as the charges of the ions increase, and the sizes of the ions decrease. When all other parameters are kept constant, doubling the charge of both the cation and anion quadruples the lattice energy. For example, the lattice energy of LiF (Z+ and Z = 1) is 1023 kJ/mol, whereas that of MgO (Z+ and Z= 2) is 3900 kJ/mol (Ro = the interionic distance defined as the sum of the radii of the positive and negative ions, is nearly the same — about 200 pm for both compounds).

Different interatomic distances produce different lattice energies. For example, compare the lattice energy of MgF2 (2957 kJ/mol) to that of MgI2 (2327 kJ/mol), which demonstrates the effect on lattice energy of the smaller ionic size of F as compared to I.

Other Applications of the Born-Haber Cycle

The Born-Haber cycle may also be used to calculate any one of the other quantities in the equation for lattice energy, provided that the remainder is known. For example, if the relevant enthalpy of sublimation  ΔHs°,  ionization energy (IE), bond dissociation enthalpy (D), lattice energy ΔHlattice, and standard enthalpy of formation  ΔHf°  are known, the Born-Haber cycle can be used to determine the electron affinity of an atom.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.