Енергия на кристална решетка | Структура и характеристики на молекулни и йонни съединения | Химия за напреднали | Кан Академия

Може вече да познаваш

закона на Кулон,

който е най-важният

или подлежащ закон зад всичко, което знаем

за електростатиката

и как неща със заряд се привличат или отблъскват,

но опростена версия на закона на Кулон

е че силата между заредени частици,

големината на силата,

ще е пропорционална на произведението на заряда,

тоест q1 ще е зарядът

на една от заредените частици –

може би това е йон –

q2 ще е зарядът на другата частица –

може би това е йон –

делено на r^2.

И ако говорим за йони,

r ще е разстоянието между ядрата им

и ако зарядите са различни,

това ще е сила на привличане.

Ако зарядите са еднакви,

това ще е сила на отблъскване.

И можем да използваме закона на Кулон, за да мислим за йонни съединения.

Нека да изберем може би най-честото йонно съединение

в ежедневието ни и това е трапезна 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 после той има положителен заряд.

И е изграден от хлорен анион,

тоест Cl-.

Хлорът е елемент от седма група.

Той силно иска да получи този 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 елемента ще бъдат привлечени

един към друг.

Забележи, те имат противоположни заряди.

И когато имаш куп натриеви и хлорни йони

ще имаш структура, която изглежда ето така.

В химията я наричаме кристална решетка.

На езика на ежедневието ни

може да свържеш кристалната решетка

с един вид кръстообразен модел.

И в химията, когато говорим за кристална решетка,

говорим за триизмерна структура от атоми

или триизмерна структура от йони,

която има повтарящ се модел.

И можеш да видиш това тук.

И в бъдещи видеа ще навлезем в повече подробности

са кристалните структури,

но в тази картинка можеш да видиш,

лилавите са натриевите катиони,

а зелените са хлорните аниони.

И 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 ще има много силно придърпване

на тези електрони в този втори слой.

И, подобно, 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 образуваха ковалентните връзки.

Има подобна идея за йонните връзки

и това е енергия на кристалната решетка,

и това е енергията, която е необходима

да се раздалечат йоните,

така че да са безкрайно далеч едни от други

и енергията на кристалната решетка обикновено ще измерва

в килоджаула на мол,

което също е начинът на измерване на енергията на връзката,

понеже те са една и съща идея,

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.

Кое ще има по-висока енергия на кристалната решетка?

Дали ще е натриев хлорид,

или, нека изберем нещо друго,

да кажем, че имахме рубидий.

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

е изграден от, вместо натриев катион,

е изграден от 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 разгледаш рубидия, за разлика от натрия,

рубидият, когато изгуби електрон,

ще има конфигурация на благороден газ,

електронна структура на криптон,

докато натрият,

след като загуби електрон,

електронната конфигурация ще изглежда като неона.

Натриевият катион е по-малък

и какво ни казва това?

Ако това тук,

нека го оградя ето така...

Ако това е по-малко

и имаме подобни заряди отгоре,

имаш -1 и -1 отгоре,

това са зарядите между двата йона,

но сега имаш по-малък радиус между ядрата,

понеже натрият е по-малък от рубидия.

Докато радиусът намалява,

силата се увеличава,

така че ще имаш по-силни Кулонови сили

в кристалната решетка на натриевия хлорид,

отколкото в кристална решетка на рубидиев хлорид.

Понеже силата на привличане е по-голяма

ще е нужно повече енергия, за да се раздалечат те.

Поради това

ще имаш по-висока

енергия на кристалната решетка

за натриевия хлорид, отколкото за рубидиевия хлорид.

Нека помислим за друго йонно съединение.

Да кажем, че помислим за магнезием флуорид, F2,

а той е изграден от 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 тук горе?

Магнезият има по-голям заряд

от тези два катиона тук,

така че ако разгледаш заряда на магнезия като q1

ще имаш нещо по-голямо тук горе

и флуорът е по-малък анион от хлора.

Виждаме това, ако отново погледнем периодичната таблица

на елементите.

Флуорът е по-малък от хлора

и дори ако добавиш електрон към тези двете,

флуорът 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 отгоре,

поне за магнезия,

и имаме по-малки радиуси отдолу,

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 по-високата

от трите, които видяхме тук.

Най-високата енергия на кристалната решетка ще е на магнезиевия хлорид,

следвана от натриевия хлорид,

следвана от рубидиевия хлорид.