الصوديوم معدن ناعم يحترق في الهواء. الكلور غاز خانق وسام. ضعهما معاً لتحصل على ملح الطعام. إنتاج مول واحد منه يطلق…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · سرد باللغة الإنجليزية · ترجمة مدمجة بالإنجليزية + الصينية
23.1
Lattice energy and Born–Haber cycles · طاقة الشبكة البلورية ودورات بورن-هابر
Syllabus · المنهج
English
define and use the terms: (a) enthalpy change of atomisation, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) lattice energy, $\Delta H_{\text{latt}}$ (the change from gas phase ions to solid lattice)
(a) define and use the term first electron affinity, EA (b) explain the factors affecting the electron affinities of elements (c) describe and explain the trends in the electron affinities of the Group 16 and Group 17 elements
construct and use Born–Haber cycles for ionic solids (limited to +1 and +2 cations, –1 and –2 anions)
carry out calculations involving Born–Haber cycles
explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of a lattice energy
العربية
عرّف واستخدم المصطلحات: (أ) تغير إنثالبي التذرر، $\Delta H_{\text{at}}$ (ب) طاقة الشبكة البلورية، $\Delta H_{\text{latt}}$ (التغير من الأيونات الغازية إلى الشبكة الصلبة)
(أ) عرّف واستخدم مصطلح الألفة الإلكترونية الأولى، EA (ب) اشرح العوامل المؤثرة على الألفة الإلكترونية للعناصر (ج) صف واشرح اتجاهات الألفة الإلكترونية لعناصر المجموعة 16 والمجموعة 17
اشرح، بأساليب نوعية، تأثير شحنة الأيون ونصف قطر الأيون على القيمة العددية لطاقة الشبكة البلورية
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
These cycles use several enthalpy changes 焓变 ($\Delta H$). Two new ones are:
the enthalpy change of atomisation 原子化焓变, $\Delta H_{\text{at}}$ — the energy to make one mole of gaseous atoms from an element. It is always positive (bonds must break).
the lattice energy 晶格能, $\Delta H_{\text{latt}}$ — the energy change when one mole of a solid ionic lattice forms from its gaseous ions. It is always negative (strong bonds form).
Electron affinity
The first electron affinity 电子亲和能 (EA) is the energy change when one mole of gaseous atoms each gain one electron to form one mole of $1-$ ions. The first EA is usually negative.
The same factors as ionisation energy apply (nuclear charge, atomic radius, shielding). Going down Group 16 or 17, the EA becomes less exothermic, because the atom is larger and pulls the extra electron in less strongly. (The very top element is an exception: its atom is so small that electron repulsion makes its EA less exothermic than the one below it.)
Born–Haber cycles
A Born–Haber cycle 玻恩哈伯循环 is an energy cycle that links the enthalpy change of formation of an ionic solid with its atomisation, ionisation energy, electron affinity and lattice energy. Using Hess's law, you go round the cycle to find any one unknown step. (You only need $+1$ and $+2$ cations and $-1$ and $-2$ anions.)
Worked example. Find the lattice energy of sodium chloride from these data (kJ mol⁻¹): enthalpy of formation $\Delta H_f = -411$; atomisation $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ and $\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; first ionisation energy of Na $= +496$; electron affinity of Cl $= -349$.
By Hess's law the direct formation route equals the route up and round the cycle:
The lattice energy is more negative (stronger) when:
the ionic charge is higher (e.g. $\text{Mg}^{2+}$ beats $\text{Na}^+$).
the ionic radius is smaller.
Both make the attraction between the ions stronger.
العربية
تستخدم هذه الدورات عدة تغيرات في الإنثالبي ($\Delta H$). اثنان جديدان هما:
تغير إنثالبي التأين الذري، $\Delta H_{\text{at}}$ — الطاقة اللازمة لتكوين مول واحد من الذرات الغازية من العنصر. يكون دائماً موجباً (يجب كسر الروابط).
طاقة الشبكة البلورية، $\Delta H_{\text{latt}}$ — تغير الطاقة عند تكوين مول واحد من الشبكة البلورية الصلبة الأيونية من أيوناتها الغازية. يكون دائماً سالباً (تتشكل روابط قوية).
المادة الصلبة الأيونية مثل كلوريد الصوديوم هي شبكة بلورية عملاقة ومنتظمة من الأيونات — تُطلق طاقة الشبكة عند تكونها
إلكترونية الألفة
أول إلكترونية ألفة (EA) هي تغير الطاقة عندما تكتسب ذرة غازية واحدة إلكترونًا لتكوين مول واحد من أيونات $1-$. عادةً ما تكون أول إلكترونية ألفة سالبة.
ذرة غازية تكتسب إلكتروناً، وعادة ما تطلق طاقة
تنطبق نفس العوامل الخاصة بطاقة التأين (الشحنة النووية، نصف القطر الذري، الحجب). بالتحرك لأسفل في المجموعة 16 أو 17، تصبح EA أقل تطايراً للحرارة، لأن الذرة أكبر وتسحب الإلكترون الإضافي بقوة أقل. (العنصر في الأعلى جداً استثناء: ذرته صغيرة لدرجة أن تنافر الإلكترونات يجعل EA الخاص به أقل تطايراً للحرارة مما هو عليه في الأسفل منه.)
دورات بورن–هابر
دورة بورن–هابر هي دورة طاقة تربط بين تغير إنثالبي التكوين للمادة الصلبة الأيونية والتأين الذري، وطاقة التأين، وإلكترونية الألفة، وطاقة الشبكة. باستخدام قانون هيس، يمكنك المرور حول الدورة لإيجاد أي خطوة مجهولة. (تحتاج فقط إلى أيونات $+1$ و$+2$ وأنيونات $-1$ و$-2$.)
دورة بورن–هابر لـ NaCl: الصعود يتطلب طاقة (التأين الذري، التأين)؛ والنزول يُطلقها (إلكترونية الألفة، وطاقة الشبكة الكبيرة)
مثال محلول. أوجد طاقة الشبكة البلورية لكلوريد الصوديوم من هذه البيانات (kJ mol⁻¹): إنثالبي التكوين $\Delta H_f = -411$؛ التحول الذري $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ و$\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$؛ أول طاقة تأين للصوديوم $= +496$؛ إلكترونية الإلكترون للكلور $= -349$.
وفقاً لقانون هيس، فإن طريق التكوين المباشر يساوي طريق الصعود والدوران حول الدورة:
الأيونات الأصغر والشحنات الأعلى تمنح طاقة شبكة أقوى
شحنة الأيون أعلى (مثل $\text{Mg}^{2+}$ تتفوق على $\text{Na}^+$).
يكون نصف قطر الأيون أصغر.
كلاهما يجعل التجاذب بين الأيونات أقوى.
Explore · استكشف
The Born–Haber cycle · دورة بورن–هابر
Lattice energy can't be measured directly, so it is found from a cycle of measurable steps. · لا يمكن قياس طاقة الشبكة مباشرة، لذا تُستنتج من دورة خطوات قابلة للقياس.
Enthalpies of solution and hydration · إنثالبيات المحلول والإماهة
Syllabus · المنهج
English
define and use the term enthalpy change with reference to hydration, $\Delta H_{\text{hyd}}$, and solution, $\Delta H_{\text{sol}}$
construct and use an energy cycle involving enthalpy change of solution, lattice energy and enthalpy change of hydration
carry out calculations involving the energy cycles in 23.2.2
explain, in qualitative terms, the effect of ionic charge and of ionic radius on the numerical magnitude of an enthalpy change of hydration
العربية
عرّف واستخدم مصطلح تغير الإنثالبي فيما يتعلق بالتميه، $\Delta H_{\text{hyd}}$، والذوبان، $\Delta H_{\text{sol}}$
بنِ واستخدم دورة طاقة تتضمن تغير إنثالبي الذوبان وطاقة الشبكة البلورية وتغير إنثالبي التميه
إجراء حسابات تتعلق بدورات الطاقة في ⟦23.2.2⟟
شرح، بأسلوب نوعي، تأثير شحنة الأيون ونصف القطر الأيوني على القيمة العددية لتغير الإنثالبي للترطيب
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
the enthalpy change of hydration 水合焓变, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — the energy change when one mole of gaseous ions is surrounded by water to form aqueous ions. It is exothermic.
the enthalpy change of solution 溶解焓变, $\Delta H_{\text{sol}}$ — the energy change when one mole of solute dissolves fully in water.
(To dissolve, you first pull the lattice apart, then hydrate the ions.) Like lattice energy, $\Delta H_{\text{hyd}}$ is more exothermic for ions with a higher charge and a smaller radius.
العربية
تغير إنثالبي الإماهة، $\Delta H_{\text{hyd}}$ — تغير الطاقة عندما يحاط مول واحد من الأيونات الغازية بالماء لتكوين أيونات مذابة. وهو طارد للحرارة.
تغير إنثالبي المحلول، $\Delta H_{\text{sol}}$ — تغير الطاقة عندما يذوب مول واحد من المذاب بالكامل في الماء.
(للذوبان، يجب أولاً تفكيك الشبكة ثم إماهة الأيونات.) مثل طاقة الشبكة، تكون $\Delta H_{\text{hyd}}$ أكثر تطايراً للحرارة للأيونات ذات الشحنة الأعلى ونصف القطر الأصغر.
دورة طاقة الذوبان: افصل الشبكة (عكس طاقة الشبكة)، ثم أمه الأيونات الغازية، لذا $\Delta H_\text{sol} = -\Delta H_\text{latt} + \Delta H_\text{hyd}$
Explore · استكشف
Enthalpy of solution lab · مختبر إنثالبي المحلول
deltaHsol = lattice + hydration terms · deltaHsol = طاقة الشبكة + حدود الإذابة المائية
Change hydration strength and see solution enthalpy shift. · غيّر قوة الإذابة المائية وشاهد تحرك إنثالبي المحلول.
define the term entropy, $S$, as the number of possible arrangements of the particles and their energy in a given system
predict and explain the sign of the entropy changes that occur: (a) during a change in state, e.g. melting, boiling and dissolving (and their reverse) (b) during a temperature change (c) during a reaction in which there is a change in the number of gaseous molecules
calculate the entropy change for a reaction, $\Delta S$, given the standard entropies, $S^\ominus$, of the reactants and products, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (use of $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ is not required)
العربية
تعريف مصطلح الإنتروبيا، $S$، بأنه عدد الترتيبات الممكنة للجسيمات وطاقتها في نظام معين
التنبؤ وتفسير إشارة تغيرات الإنتروبي التي تحدث: (أ) أثناء تغير الحالة، مثل الذوبان والغليان والذوبان (ومعاكساتها) (ب) أثناء تغير درجة الحرارة (ج) أثناء تفاعل يحدث فيه تغيير في عدد الجزيئات الغازية
حساب التغير في الإنتروبيا لتفاعل، $\Delta S$، بناءً على الإنتروبيات القياسية، $S^\ominus$، للمتفاعلات والنواتج، $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (لا يُطلب استخدام $\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$)
Source: Cambridge International syllabus · المصدر: منهج كامبريدج الدولي
English
Entropy 熵 ($S$) measures the number of ways the particles and their energy can be arranged in a system. More ways means more "disorder".
The entropy change 熵变 ($\Delta S$) is positive when disorder increases, and negative when it falls:
Change
Sign of $\Delta S$
solid → liquid → gas (melting, boiling), or dissolving
Here $T$ is the temperature in kelvin. A reaction is feasible (it can happen) when $\Delta G$ is negative or zero. The feasibility 可行性 therefore depends on temperature:
$\Delta H$
$\Delta S$
When feasible
negative
positive
at all temperatures
positive
positive
only at high temperature
negative
negative
only at low temperature
positive
negative
never
To find the changeover temperature, set $\Delta G = 0$, which gives $T = \Delta H / \Delta S$.
Worked example. A reaction has $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ and $\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Find $\Delta G$ at $298\ \text{K}$, and the temperature above which the reaction becomes feasible.
First match the units: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. Then
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$
Setting $\Delta G = 0$ gives $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, so the reaction is feasible above $600\ \text{K}$.
العربية
يحدد تغير طاقة جيبس الحرة ما إذا كان التفاعل يمكن أن يحدث تلقائياً:
هنا $T$ هي درجة الحرارة بالكلفن. يكون التفاعل ممكناً (يمكن أن يحدث) عندما تكون $\Delta G$ سالبة أو صفراً. يعتمد الإمكانية بالتالي على درجة الحرارة:
$\Delta H$
$\Delta S$
متى يكون ممكناً
سالب
موجب
عند جميع درجات الحرارة
موجب
موجب
فقط عند درجة حرارة عالية
سالب
سالب
فقط عند درجة حرارة منخفضة
موجب
سالب
أبداً
مدى جدوى التفاعل ($\Delta G \leq 0$) تعتمد على إشارات $\Delta H$ و$\Delta S$، وأحياناً على درجة الحرارة
لإيجاد درجة حرارة التحول، ضع $\Delta G = 0$، مما يعطي $T = \Delta H / \Delta S$.
مثال محلول. تفاعل له $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ و$\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. أوجد $\Delta G$ عند $298\ \text{K}$، ودرجة الحرارة التي تصبح فوقها التفاعلات مجدية.
أولاً طابق الوحدات: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. ثم
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$
وضع $\Delta G = 0$ يعطي $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$، لذا التفاعل مجيد فوق $600\ \text{K}$.
Explore · استكشف
Gibbs free energy lab · مختبر طاقة جيبس الحرة
deltaG = deltaH - T deltaS
Move temperature and see when deltaG becomes negative. · غيّر درجة الحرارة ولاحظ متى يصبح deltaG سالباً.
In a Born-Haber cycle get each step's direction and sign right (atomisation, ionisation $+$; electron affinity, lattice formation $-$) and apply Hess's law around it.
Lattice energy is more exothermic for smaller, more highly charged ions (higher charge density).
Predict the sign of $\Delta S$ from the state changes (more gas moles = more disorder).
Use $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; feasible when $\Delta G \le 0$ — convert $\Delta S$ from $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
العربية
في دورة بورن–هابر حدد اتجاه وإشارة كل خطوة بشكل صحيح (التأين الذري، التأين $+$؛ إلكترونية الألفة، تكوين الشبكة $-$) وطبق قانون هيس حولها.
طاقة الشبكة البلورية تكون أكثر انبعاثاً للحرارة لـ الأيونات الأصغر حجماً وأكثر شحنةً (كثافة شحنة أعلى).
تنبأ بـ إشارة $\Delta S$ من تغيرات الحالة (زيادة عدد مولات الغاز = زيادة العشوائية).
استخدم $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$؛ يكون التفاعل ممكناً عندما $\Delta G \le 0$ — حول $\Delta S$ من $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
Interactive lessons on this topic · دروس تفاعلية حول هذا الموضوع
Work through it step by step, with instant-check exercises. · ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · اختر واحدًا وسيتبعك الموقع — الملاحظات، الأوراق، الفيديوهات والتدريب جميعها تفتح عليه.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · اكتب للبحث عن ملاحظات، دروس، أكواد، مفردات وأسئلة امتحانات سابقة عبر جميع المواد.