aMz (氣) bXz-(氣)→MaXb(晶體) U(晶格能)
晶格能也可以說是破壞1mol晶體,使它變成完全分離的自由離子所需要消耗的能量。晶格能越大,表示離子鍵越強,晶體越穩(wěn)定。晶格能的數(shù)值有兩個來源。第一是理論計算值。它是根據(jù)離子晶體模型,考慮其中任一離子跟周圍異號離子間的吸引作用,以及跟其他同號離子間的排斥作用推導(dǎo)出下列近似公式計算得到的。
式中Z是離子價數(shù),R0是一對離子間的平均距離,A是跟一定的晶格類型有關(guān)的常數(shù),NA是阿佛加德羅常數(shù),m是跟離子的電子層構(gòu)型有關(guān)的常數(shù),它的值可取5~12,ε0是真空電容率(8.85419×10-12庫-2·牛-1·米-2)。例如,氯化鈉晶體的Z =Z-=1,R0=2.814×10-10m,m=8,A=1.7476,代入上述公式可得U=755kJ/mol。第二是熱化學(xué)實驗值。設(shè)計一個熱化學(xué)循環(huán),然后根據(jù)實驗測得的熱化學(xué)量(如生成熱、升華熱、離解熱、電離能、電子親合勢)進行計算。影響晶格能大小的因素主要是離子半徑、離子電荷以及離子的電子層構(gòu)型等。例如,隨著鹵離子半徑增大,鹵化物的晶格能降低;高價化合物的晶格能遠大于低價離子化合物的晶格能,如UTiN>UMgO>UNaCl。此外,Cu 和Na 半徑相近、離子電荷相同,但Cu 是18電子構(gòu)型,對陰離子會產(chǎn)生極化作用,因此UCu2S>UNa2S。離子化合物都有較高的熔點和沸點,這是和它們離子晶體有很大的晶格能有關(guān)。由于UMgO>UNaF,MgO的熔點(2800℃)比NaF的熔點(988℃)高得多。晶格能的大小決定離子晶體的穩(wěn)定性,用它可以解釋和預(yù)言離子晶體的許多物理和化學(xué)性質(zhì)。例如,根據(jù)晶格能大小可以求得難以從實驗測出的電子親和勢,可以求得離子化合物的溶解熱,并能預(yù)測溶解時的熱效應(yīng)。