Енергия на кристалната решетка

Може вече да познаваш закона на Кулон, който е най-важният или основен закон за всичко, което знаем за електростатиката и как заредените частици се привличат или отблъскват. Една опростена версия на закона на Кулон е, че силата на взаимодействие между заредени частици, големината на силата, е пропорционална на произведението на зарядите, като q1 е зарядът на едната от заредените частици – може би това е йон – q2 е зарядът на другата частица – може би и това е йон – делено на r^2. И ако говорим за йони, r ще е разстоянието между ядрата им. Ако зарядите са различни, това ще е сила на привличане. Ако зарядите са еднакви, това ще е сила на отблъскване. Можем да използваме закона на Кулон, за да разсъждаваме за йонните съединения. Нека да изберем може би най-често срещаното йонно съединение в ежедневието ни – трапезната сол. Трапезната сол е натриев хлорид. Натриев хлорид. Говорихме за това в други видеа. Той е изграден от положително заредени натриеви катиони, тоест имаш Na+, натрият е елемент от група едно. Много е лесно да се отнеме електрон от него и той получава положителен заряд. Съдържа и хлорен анион, тоест Cl-. Хлорът е елемент от седма група. Той много иска да получи един допълнителен електрон, за да има осем валентни електрони в най-външния си слой, така че е много вероятно да приеме електрон от натрия. И тези два йона ще се привличат взаимно. Обърни внимание, те имат противоположни заряди. Когато имаш куп натриеви и хлорни йони ще имаш структура, която изглежда ето така. (показва модел) В химията наричаме това кристална решетка. На езика на ежедневието ни може да свържеш кристалната решетка с нещо, състоящо се от кръстосани по този начин елементи. (скицира) В химията, когато говорим за кристална решетка, говорим за триизмерна структура от атоми или триизмерна структура от йони, която е съставена закономерно, подредено. И можеш да видиш това тук. И в бъдещи видеа ще видим повече подробности за кристалните структури, но в тази картинка можеш да видиш – лилавите топчета са натриевите катиони, а зелените са хлорните аниони. Една причина натриевите катиони да са толкова малки е – можеш да видиш това, ако погледнеш периодичната таблица на елементите тук. Казахме, че докато отиваш надясно, радиусът намалява, но когато натрият загуби най-външния си електрон, неговите електрони имат конфигурацията на благородния газ неон. Той губи този трети слой, става по-малък и не само губи този трети слой, но има 11 протона, така че има много силно привличане на тези електрони в този втори слой. Хлорът ще получи електрон, така че ще има конфигурацията на благородния газ аргон. Така че ще е по-голям. Когато говорихме за ковалентни връзки, говорихме за енергия на връзката – енергията, необходима за разделяне на атомите, които образуват ковалентните връзки. Има подобна идея за йонните връзки и това е енергия на кристалната решетка. Това е енергията, която е необходима да се раздалечат йоните, така че да са безкрайно далеч едни от други. Енергията на кристалната решетка обикновено се измерва в килоджаула на мол, което същият начин, по който измерваме енергията на връзката, защото принципът е един и същ, освен че при енергията на кристалната решетка разделяш кристална решетка от йони, докато при енергията на връзката обикновено говориш за ковалентни връзки. Искам да помислиш за нещо. При кое съединение ще има по-висока енергия на кристалната решетка – при натриев хлорид или, нека изберем нещо друго, да кажем, че имаме рубидий – или при рубидиев хлорид. Кое ще има по-висока енергия на кристалната решетка? При кое ще е нужна повече енергия, за да се раздалечат йоните? И ще ти дам подсказка с тази периодична таблица на елементите. Добре, рубидиевият хлорид вместо натриев катион съдържа рубидиев катион, така че имаш Rb+ и, разбира се, имаш хлорен анион, Cl-. И каква е разликата тук? Анионът и в двата случая е хлор. Но когато сравниш рубидия и натрия, рубидият, когато изгуби електрон, ще има конфигурацията на благородния газ криптон, докато натрият, след като загуби електрон, електронната му конфигурация става като тази на неона. Натриевият катион е по-малък и какво ни казва това? Ако този йон, натриевият йон, нека го оградя ето така... Ако натриевият йон е по-малък и имаме подобни заряди на двата йона, имаш заряди -1 и -1, това са зарядите на двата йона, но сега имаш по-малко разстояние между ядрата, понеже натрият е по-малък от рубидия, когато разстоянието намалява, силата се увеличава, така че ще имаш по-големи кулонови сили в кристалната решетка на натриевия хлорид, отколкото в кристална решетка на рубидиев хлорид. Понеже силата на привличане е по-голяма ще е нужна по-голяма енергия, за да се раздалечат йоните. Поради това ще имаш по-висока енергия на кристалната решетка за натриевия хлорид, отколкото за рубидиевия хлорид. Да разгледаме друго йонно съединение. Да разгледаме магнезиев флуорид, F2, който съдържа магнезиев катион, който има заряд +2, в кристална решетка с флуорни аниони. Флуорни аниони. Каква ще е енергията на кристалната решетка на магнезиевия хлорид в сравнение с това, което току-що видяхме при другите две съединения? Магнезият има по-голям заряд от тези два катиона тук, така че ако разглеждаш заряда на магнезия като q1 ще имаш нещо по-голям числител, а флуорът е по-малък анион от хлора. Можем да го видим отново в периодичната таблица на елементите. Атомът на флуора е по-малък от атома на хлора и дори ако добавиш електрон към атомите на двата елемента, флуорният йон пак ще е по-малък. А магнезият – когато отнемеш два електрона от него, ще има конфигурация на благороден газ, електронна конфигурация на неона, но ще придърпва още повече тези електрони от втория слой, понеже има 12 протона, докато натрият има само 11. Тук виждаме, че не само магнезият има по-голям положителен заряд от натриевия катион, но и ще е по-малък. И флуорът има близък заряд до хлора, но също ще е по-малък. Така че имаме по-голям заряд в числителя, поне за магнезия, и имаме по-малко разстояние в знаменателя, така че при магнезиевия флуорид кулоновите сили между йоните в кристалната решетка са дори по-силни, така че енергията на кристалната решетка, енергията, нужна да се раздалечат, ще е най-високата от трите съединения, които видяхме тук. Най-високата енергия на кристалната решетка ще е на магнезиевия хлорид, следвана от натриевия хлорид, следвана от рубидиевия хлорид.