נתרן הוא מתכת רכה שבעירה באוויר. כלור הוא גז חנקני ורעיל. אם תשלב אותם תקבל מלח שולחן. יצירת מול אחד ממנו משחררת…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · קריאת קול באנגלית · תרגום אנגלי + סינית שרוף בתוך הסרטון
23.1
Lattice energy and Born–Haber cycles · אנרגיית רשת ומחזורי בורן–הابر
Syllabus · סיילבוס
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
עברית
להגדיר ולשמש במונחים: (a) שינוי אנתלפיית אטומיזציה, $\Delta H_{\text{at}}$ (b) אנרגיית רשת, $\Delta H_{\text{latt}}$ (השינוי מיוני מצב גזי לרשת מוצקה)
(a) להגדיר ולשמש במונח אפיליות האלקטרון הראשונה, EA (b) להסביר את הגורמים המשפיעים על אפיליות האלקטרון של יסודות (c) לתאר ולהסביר את המגמות באפיליות האלקטרון של יסודות מקבוצה 16 ומקבוצה 17
לבנות ולשמש במחזורי בורן-האבר לחומרים יוניים (במגבלה של קатиונים +1 ו+2, ואניונים –1 ו–2)
לבצע חישובים הקשורים למחזורי בורן-האבר
להסביר, במונחים איכותיים, את השפעת המטען האיוני וגודל הרדיוס האיוני על הגודל המספרי של אנרגיית הרשת
Source: Cambridge International syllabus · מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
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.
עברית
מחזורים אלו משתמשים במספר שינויי אנטלפיה ($\Delta H$). שניים חדשים הם:
השינוי באנטלפיה של אטומיציה, $\Delta H_{\text{at}}$ — האנרגיה להפוך מול אחד של אטומים גזיים מאלמנט. היא תמיד חיובית (יש לשבור קשרים).
אנרגיית הרשת, $\Delta H_{\text{latt}}$ — שינוי האנרגיה כאשר מול אחד של רשת מוצקה יונייתית נוצרת מהיונים הגזיים שלה. היא תמיד שלילית (נוצרים קשרים חזקים).
מוצק יונייתי כמו נתרן כלורי הוא רשת ענקית וסדורה של יונים — אנרגיית הרשת משתחררת כאשר היא נוצרת
אלקטרון-אפייניות
אלקטרון-אפייניות ראשונה (EA) היא שינוי האנרגיה כאשר מול אחד של אטומים גזיים מקבל כל אחד אלקטרון אחד כדי ליצור מול אחד של יונים $1-$. ה-EA הראשונה היא בדרך כלל שלילית.
אטום גזי מקבל אלקטרון, לרוב משחרר אנרגיה
אותם גורמים כמו באנרגיית היינון חלים (מטען גרעיני, רדיוס אטומי, הסתרה). בהתקדמות בתוך הקבוצה 16 או 17, ה-EA הופך לפחות אקסותרמי, כי האטום גדול יותר ומושך את האלקטרון הנוסף בחוזקה פחותה. (האלמנט העליון ביותר הוא יוצא מכלל: האטום שלו כה קטן עד שהדחייה בין אלקטרונים הופכת את ה-EA שלו לפחות אקסותרמי מהאלמנט שתחתיו.)
מחזורי בורן–הابر
מחזור בורן-הבר הוא מחזור אנרגטי המקשר את השינוי באנתלפיה של יצירת מוצק יוני עם האטומיזציה, אנרגיית היינון, אפיניות האלקטרון ואנרגיית הרשת. באמצעות חוק הס, ניתן לעבור במחזור כדי למצוא כל שלב לא ידוע. (נדרשים רק $+1$ ו$+2$ קטיונים ו$-1$ ו$-2$ אניונים.)
מחזור בורן-הבר ל-NaCl: עלייה דורשת אנרגיה (אטומיזציה, יינון); ירידה משחררת אותה (אפיניות אלקטרון, ואנרגיית הרשת הגבוהה)
דוגמה פתורה. מצאו את אנרגיית הרשת של נתרן כלור מהנתונים הבאים (kJ mol⁻¹): אנתלפיית יצירה $\Delta H_f = -411$; אטומיזציה $\Delta H_{\text{at}}(\text{Na}) = +107$ ו$\Delta H_{\text{at}}(\text{Cl}) = +122$; אנרגיית יינון ראשונית של Na $= +496$; אפיניות אלקטרון של Cl $= -349$.
על פי חוק הס, מסלול היצירה הישיר שווה למסלול העלייה והמעבר במחזור:
איונים קטנים וטענות גבוהות נותנות אנרגיית סריג חזקה יותר
מטען היוני גבוה יותר (למשל, $\text{Mg}^{2+}$ עדיף על $\text{Na}^+$).
רדיוס היוני קטן יותר.
שניהם מגבירים את הכוח המושך בין היונים.
Explore · חקור
The Born–Haber cycle · מחזור בורן–הייבר
Lattice energy can't be measured directly, so it is found from a cycle of measurable steps. · אנרגיית הרשת לא ניתנת למדידה ישירה, ולכן היא מחושבת מתוך מחזור של שלבים ניתנים למדידה.
Enthalpies of solution and hydration · אנתלפיות פתרון והידרציה
Syllabus · סיילבוס
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
עברית
להגדיר ולשמש במונח שינוי אנתלפיה בהתייחס להידרציה, $\Delta H_{\text{hyd}}$, ולהתמיסה, $\Delta H_{\text{sol}}$
לבנות ולשמש במחזור אנרגטי הכולל שינוי אנתלפיית התמיסה, אנרגיית רשת ושינוי אנתלפיית ההידרציה
לבצע חישובים הקשורים למחזורי האנרגיה ב-23.2.2
להסביר, במונחים איכותיים, את השפעת המטען האיוני וגודל הרדיוס האיוני על הגודל המספרי של שינוי האנתלפייה של ההידרציה
Source: Cambridge International syllabus · מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
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.
עברית
השינוי באנתלפיה של הידרציה, $\Delta H_{\text{hyd}}$ — השינוי באנרגיה כאשר מול אחד של יונים גזיים מוקף במים ליצירת יונים בתמיסה. התהליך הוא אקסותרמי.
השינוי באנתלפיה של הפתרה, $\Delta H_{\text{sol}}$ — השינוי באנרגיה כאשר מול אחד של חומר מומס נמס לחלוטין במים.
חבילת קור מיידי מרגישה קרה מכיוון שהמלח בה נמס אנדותרמית ($\Delta H_\text{sol}$ חיובי), בדחיפת עליית האנטרופיה
(כדי לפתור, יש תחילה לפרק את הרשת, ולאחר מכן להידרצות את היונים.) כמו אנרגיית רשת, $\Delta H_{\text{hyd}}$ הוא יותר אקסותרמי עבור יונים בעלי מטען גבוה ורדיוס קטן.
מחזור אנרגטי של פתרה: פורקים את הרשת (אנרגיית רשת הפוכה), ולאחר מכן מדרכים את היונים הגזיים, ולכן $\Delta H_\text{sol} = -\Delta H_\text{latt} + \Delta H_\text{hyd}$
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)
עברית
להגדיר את המונח אנטרופיה, $S$, כמספר הסדרות האפשריות של חלקיקים ואנרגיה שלהם במערכת נתונה
לחזות ולהסביר את סימן שינויי האנטרופיה שמתרחשים: (a) במהלך שינוי מצב, כגון התכה, רתיחה והתמסה (וגם הפעולות ההפוכות להן) (b) במהלך שינוי בטמפרטורה (c) במהלך תגובה שבה יש שינוי במספר המולקולות הגזיות
לחשב את שינוי האנטרופיה לתגובה, $\Delta S$, בהינתן האנטרופיות הסטנדרטיות, $S^\ominus$, של המגיבים והמוצרים, $\Delta S^\ominus = \Sigma S^\ominus \text{(products)} - \Sigma S^\ominus \text{(reactants)}$ (שימוש ב$\Delta S^\ominus = \Delta S^\ominus_{\text{surr}} + \Delta S^\ominus_{\text{sys}}$ אינו נדרש)
Source: Cambridge International syllabus · מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'
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 $600\ \text{K}$.
עברית
שינוי באנרגיה החופשית של גיבס קובע האם תגובה יכולה להתרחש באופן עצמאי:
כאן $T$ היא הטמפרטורה בקלווין. תגובה היא אפשרית (יכולה להתרחש) כאשר $\Delta G$ הוא שלילי או אפס. לכן האפשרות תלויה בטמפרטורה:
$\Delta H$
$\Delta S$
מתי אפשרית
שלילי
חיובי
בכל טמפרטורות
חיובי
חיובי
רק בטמפרטורות גבוהות
שלילי
שלילי
רק בטמפרטורות נמוכות
חיובי
שלילי
לעולם לא
*האם תגובה אפשרית ($\Delta G \leq 0$) תלויה בסימנים של $\Delta H$ ו$\Delta S$, ולעיתים גם בטמפרטורה
כדי למצוא את טמפרטורת המעבר, משווים $\Delta G = 0$ לאפס, מה שנותן $T = \Delta H / \Delta S$.
דוגמה מוצגת. תגובה בעלת $\Delta H = +120\ \text{kJ mol}^{-1}$ ו-$\Delta S = +200\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. מצאו את $\Delta G$ ב-$298\ \text{K}$, ואת הטמפרטורה מעליה התגובה הופכת לבעלת סיכוי ביצוע.
תחילה התאימו את היחידות: $\Delta S = +0.200\ \text{kJ K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$. לאחר מכן
$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S = 120 - 298 \times 0.200 = +60\ \text{kJ mol}^{-1}\quad(\text{positive, so not yet feasible}).$$
הצבת $\Delta G = 0$ נותנת $T = \Delta H/\Delta S = 120/0.200 = 600\ \text{K}$, ולכן התגובה היא בעלת סיכוי ביצוע מעל $600\ \text{K}$.
Explore · חקור
Gibbs free energy lab · מעבדה לאנרגיה חופשית של ג'יבס
deltaG = deltaH - T deltaS · δG = δH - T δS
Move temperature and see when deltaG becomes negative. · הזז את הטמפרטורה וראה מתי δG הופך לשלילי.
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 $\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
עברית
במחזור בורן-האבר ודאו כיוון וסימן נכונים לכל שלב (אטומיזציה, יוניזציה $+$; אלקטרון-אפיליות, יצירת רשתה $-$) והפעילו את חוק הסה סביבו.
אנרגיית רשתה היא יותר אקסותרמית עבור יונים קטנים ובעלי מטען גבוה יותר (צפיפות מטען גבוהה).
נבוא את הסימן של $\Delta S$ מתוך שינויי המצבים (כמות מולות גז גדולה יותר = אי-סדר גדול יותר).
השתמשו ב-$\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; תגובה היא בעלת סיכוי ביצוע כאשר $\Delta G \le 0$ — הפכו את $\Delta S$ מ-$\text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ ($\div 1000$).
Interactive lessons on this topic · שיעורים אינטראקטיביים בנושא זה
Work through it step by step, with instant-check exercises. · לעבור על הדברים צעד אחר צעד, עם תרגילים לבדיקה מיידית.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · בחרו נושא אחד והאתר יעקוב אחריו — הערות, מסמכים, וידאו ותרגולים פתוחים בו.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · הקלד כדי לחפש הערות, שיעורים, קוד, אוצר מילים ושאלות מבחנים בכל הנושאים.