آلة حساب طاقة الشبكة

مقدمة

تعتبر آلة حساب طاقة الشبكة أداة أساسية في الكيمياء الفيزيائية وعلوم المواد لتحديد قوة الروابط الأيونية في الهياكل البلورية. تمثل طاقة الشبكة الطاقة المنطلقة عندما تتجمع الأيونات الغازية لتكوين مركب أيوني صلب، مما يوفر رؤى حاسمة حول استقرار المركب وقابليته للذوبان وتفاعليته. تقوم هذه الآلة بتطبيق معادلة بورن-لاندé لحساب طاقة الشبكة بدقة بناءً على شحنات الأيونات وأشعة الأيونات ومعامل بورن، مما يجعل الحسابات البلورية المعقدة متاحة للطلاب والباحثين والمهنيين في الصناعة.

فهم طاقة الشبكة أمر أساسي للتنبؤ وشرح الخصائص الكيميائية والفيزيائية المختلفة للمركبات الأيونية. تشير قيم طاقة الشبكة الأعلى (الأكثر سلبية) إلى روابط أيونية أقوى، والتي عادة ما تؤدي إلى نقاط انصهار أعلى، وقابلية ذوبان أقل، وصلابة أكبر. من خلال توفير طريقة بسيطة لحساب هذه القيم، تساعد أداتنا في سد الفجوة بين البلورية النظرية والتطبيقات العملية في تصميم المواد، وتطوير الأدوية، والهندسة الكيميائية.

ما هي طاقة الشبكة؟

تُعرّف طاقة الشبكة بأنها الطاقة المنطلقة عندما تتجمع الأيونات الغازية المنفصلة لتكوين مركب أيوني صلب. رياضيًا، تمثل تغيير الطاقة في العملية التالية:

$M^{n+}(g) + X^{n-}(g) \rightarrow MX(s)$

حيث:

• $M^{n+}$ يمثل كاتيون معدني بشحنة n+
• $X^{n-}$ يمثل أنيون غير معدني بشحنة n-
• $MX$ يمثل المركب الأيوني الناتج

طاقة الشبكة دائمًا سلبية (طاردة للحرارة)، مما يشير إلى أن الطاقة تُطلق أثناء تشكيل الشبكة الأيونية. تعتمد شدة طاقة الشبكة على عدة عوامل:

1. شحنات الأيونات: تؤدي الشحنات الأعلى إلى جذب كهربائي أقوى وطاقة شبكة أعلى
2. أحجام الأيونات: الأيونات الأصغر تخلق جذبًا أقوى بسبب المسافات بين الأيونات الأقصر
3. الهيكل البلوري: الترتيبات المختلفة للأيونات تؤثر على ثابت ماديلونغ وطاقة الشبكة الكلية

تأخذ معادلة بورن-لاندé، التي تستخدمها الآلة، هذه العوامل في الاعتبار لتوفير قيم طاقة شبكة دقيقة.

معادلة بورن-لاندé

تعتبر معادلة بورن-لاندé هي الصيغة الأساسية المستخدمة لحساب طاقة الشبكة:

$U = -\frac{N_0 A |z_1 z_2| e^2}{4\pi\varepsilon_0 r_0} \left(1-\frac{1}{n}\right)$

حيث:

• $U$ = طاقة الشبكة (كجول/مول)
• $N_0$ = عدد أفوجادرو (6.022 × 10²³ مول⁻¹)
• $A$ = ثابت ماديلونغ (يعتمد على الهيكل البلوري، 1.7476 لهيكل NaCl)
• $z_1$ = شحنة الكاتيون
• $z_2$ = شحنة الأنيون
• $e$ = الشحنة الأولية (1.602 × 10⁻¹⁹ كولوم)
• $\varepsilon_0$ = السماحية الفراغية (8.854 × 10⁻¹² فاراد/متر)
• $r_0$ = المسافة بين الأيونات (مجموع أشعة الأيونات بالمتر)
• $n$ = معامل بورن (عادة بين 5-12، مرتبط بضغطية الصلب)

تأخذ المعادلة في الاعتبار كل من القوى الجذابة بين الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة والقوى الطاردة التي تحدث عندما تبدأ سحب الإلكترونات في التداخل.

حساب المسافة بين الأيونات

تحسب المسافة بين الأيونات ($r_0$) على أنها مجموع أشعة الكاتيون والأنيون:

$r_0 = r_{cation} + r_{anion}$

حيث:

• $r_{cation}$ = نصف قطر الكاتيون بالبكتومتر (pm)
• $r_{anion}$ = نصف قطر الأنيون بالبكتومتر (pm)

تعتبر هذه المسافة حاسمة لحسابات طاقة الشبكة الدقيقة، حيث أن الجذب الكهربائي بين الأيونات يتناسب عكسيًا مع هذه المسافة.

كيفية استخدام آلة حساب طاقة الشبكة

توفر آلة حساب طاقة الشبكة واجهة بسيطة لأداء حسابات معقدة. اتبع هذه الخطوات لحساب طاقة الشبكة لمركب أيوني:

1. أدخل شحنة الكاتيون (عدد صحيح موجب، مثل 1 لـ Na⁺، 2 لـ Mg²⁺)
2. أدخل شحنة الأنيون (عدد صحيح سالب، مثل -1 لـ Cl⁻، -2 لـ O²⁻)
3. أدخل نصف قطر الكاتيون بالبكتومتر (pm)
4. أدخل نصف قطر الأنيون بالبكتومتر (pm)
5. حدد معامل بورن (عادة بين 5-12، مع 9 كقيمة شائعة للعديد من المركبات)
6. عرض النتائج التي تظهر كل من المسافة بين الأيونات وطاقة الشبكة المحسوبة

تتحقق الآلة تلقائيًا من مدخلاتك لضمان أنها ضمن النطاقات الفيزيائية المعقولة:

• يجب أن تكون شحنة الكاتيون عددًا صحيحًا موجبًا
• يجب أن تكون شحنة الأنيون عددًا صحيحًا سالبًا
• يجب أن تكون كلا نصف قطر الأيونات قيمًا موجبة
• يجب أن يكون معامل بورن قيمة موجبة

مثال خطوة بخطوة

دعنا نحسب طاقة الشبكة لكلوريد الصوديوم (NaCl):

1. أدخل شحنة الكاتيون: 1 (لـ Na⁺)
2. أدخل شحنة الأنيون: -1 (لـ Cl⁻)
3. أدخل نصف قطر الكاتيون: 102 pm (لـ Na⁺)
4. أدخل نصف قطر الأنيون: 181 pm (لـ Cl⁻)
5. حدد معامل بورن: 9 (قيمة نموذجية لـ NaCl)

ستحدد الآلة:

• المسافة بين الأيونات: 102 pm + 181 pm = 283 pm
• طاقة الشبكة: تقريبًا -787 كجول/مول

تشير هذه القيمة السلبية إلى أنه يتم إطلاق الطاقة عندما تتجمع أيونات الصوديوم والكلور لتكوين NaCl الصلب، مما يؤكد استقرار المركب.

أشعة الأيونات الشائعة ومعاملات بورن

لمساعدتك في استخدام الآلة بفعالية، إليك أشعة أيونية شائعة ومعاملات بورن للأيونات التي يتم مواجهتها بشكل متكرر:

أشعة الكاتيونات (بالبكتومتر)

أشعة الأنيونات (بالبكتومتر)

معاملات بورن النموذجية

يمكن استخدام هذه القيم كنقاط انطلاق لحساباتك، على الرغم من أنها قد تختلف قليلاً اعتمادًا على مصدر المرجع المحدد.

حالات استخدام حسابات طاقة الشبكة

تتمتع حسابات طاقة الشبكة بالعديد من التطبيقات عبر الكيمياء وعلوم المواد والحقول ذات الصلة:

1. التنبؤ بالخصائص الفيزيائية

ترتبط طاقة الشبكة ارتباطًا مباشرًا بعدة خصائص فيزيائية:

• نقاط الانصهار والغليان: عادة ما تحتوي المركبات ذات طاقات الشبكة الأعلى على نقاط انصهار وغليان أعلى بسبب الروابط الأيونية الأقوى.
• الصلابة: تؤدي طاقات الشبكة الأعلى عمومًا إلى بلورات أكثر صلابة تكون أكثر مقاومة للتشوه.
• الذوبانية: تميل المركبات ذات طاقات الشبكة الأعلى إلى أن تكون أقل قابلية للذوبان في الماء، حيث تتجاوز الطاقة المطلوبة لفصل الأيونات الطاقة الناتجة عن ترطيب الأيونات.

على سبيل المثال، مقارنة MgO (طاقة الشبكة ≈ -3795 كجول/مول) مع NaCl (طاقة الشبكة ≈ -787 كجول/مول) تفسر لماذا تمتلك MgO نقطة انصهار أعلى بكثير (2852 درجة مئوية مقابل 801 درجة مئوية لـ NaCl).

2. فهم التفاعلية الكيميائية

تساعد طاقة الشبكة في تفسير:

• سلوك الأحماض والقواعد: يمكن ربط قوة الأكاسيد كقواعد أو أحماض بطاقات الشبكة الخاصة بها.
• الاستقرار الحراري: عادة ما تكون المركبات ذات طاقات الشبكة الأعلى أكثر استقرارًا حراريًا.
• ديناميات التفاعل: تعتبر طاقة الشبكة عنصرًا رئيسيًا في دورات بورن-هابر المستخدمة لتحليل ديناميات الطاقة لتكوين المركبات الأيونية.

3. تصميم المواد والهندسة

يستخدم الباحثون حسابات طاقة الشبكة لـ:

• تصميم مواد جديدة بخصائص معينة
• تحسين الهياكل البلورية لتطبيقات معينة
• التنبؤ باستقرار المركبات الجديدة قبل التخليق
• تطوير محفزات ومواد تخزين طاقة أكثر كفاءة

4. التطبيقات الصيدلانية

في علوم الصيدلة، تساعد حسابات طاقة الشبكة في:

• التنبؤ بمدى ذوبان الأدوية وتوافرها البيولوجي
• فهم البوليمورفيسم في بلورات الأدوية
• تصميم أشكال الملح من المواد الفعالة الصيدلانية ذات الخصائص المثلى
• تطوير تركيبات دوائية أكثر استقرارًا

5. التطبيقات التعليمية

تعتبر آلة حساب طاقة الشبكة أداة تعليمية ممتازة لـ:

• تعليم مفاهيم الروابط الأيونية
• توضيح العلاقة بين الهيكل والخصائص
• توضيح مبادئ الكهرباء الساكنة في الكيمياء
• توفير تجربة عملية مع حسابات الديناميكا الحرارية

بدائل لمعادلة بورن-لاندé

بينما تُستخدم معادلة بورن-لاندé على نطاق واسع، هناك طرق بديلة لحساب طاقة الشبكة:

1. معادلة كابستينسكي: نهج مبسط لا يتطلب معرفة الهيكل البلوري: $U = -\frac{1.07 \times 10^5 \times |z_1 z_2| \times \nu}{r_0} \left(1-\frac{0.345}{r_0}\right)$ حيث ν هو عدد الأيونات في وحدة الصيغة.

2. معادلة بورن-ماير: تعديل لمعادلة بورن-لاندé يتضمن معاملًا إضافيًا لحساب قوى التنافر بين الإلكترونات.

3. التحديد التجريبي: باستخدام دورات بورن-هابر لحساب طاقة الشبكة من البيانات الحرارية التجريبية.

4. الطرق الحسابية: يمكن أن توفر الحسابات الحديثة الميكانيكية الكمومية قيم طاقة شبكة دقيقة للغاية للهياكل المعقدة.

كل طريقة لها مزاياها وقيودها، حيث توفر معادلة بورن-لاندé توازنًا جيدًا بين الدقة وبساطة الحسابات لمعظم المركبات الأيونية الشائعة.

تاريخ مفهوم طاقة الشبكة

تطور مفهوم طاقة الشبكة بشكل كبير على مدى القرن الماضي:

• 1916-1918: طور ماكس بورن وألفريد لاندé الإطار النظري الأول لحساب طاقة الشبكة، مقدّمين ما سيصبح معروفًا باسم معادلة بورن-لاندé.

• عقد 1920: تم تطوير دورة بورن-هابر، مما يوفر نهجًا تجريبيًا لتحديد طاقات الشبكة من خلال قياسات حرارية.

• 1933: قدمت أعمال فريتز لندن ووالتر هايتلر حول الميكانيكا الكمومية رؤى أعمق في طبيعة الروابط الأيونية وحسّنت الفهم النظري لطاقة الشبكة.

• عقد 1950-1960: سمحت التحسينات في البلورة بالأشعة السينية بتحديد أكثر دقة للهياكل البلورية والمسافات بين الأيونات، مما زاد من دقة حسابات طاقة الشبكة.

• عقد 1970-1980: بدأت الطرق الحسابية في الظهور، مما سمح بحسابات طاقة الشبكة للهياكل المعقدة بشكل متزايد.

• الحاضر: توفر الطرق الحديثة الميكانيكية الكمومية والمحاكاة الديناميكية الجزيئية قيم طاقة شبكة دقيقة للغاية، بينما تجعل الآلات المبسطة مثل آلتنا هذه الحسابات متاحة لجمهور أوسع.

كان تطوير مفاهيم طاقة الشبكة أمرًا حاسمًا للتقدم في علوم المواد، والكيمياء الصلبة، وهندسة البلورات.

أمثلة على التعليمات البرمجية لحساب طاقة الشبكة

إليك تطبيقات لمعادلة بورن-لاندé في لغات برمجة مختلفة:

1import math
2
3def calculate_lattice_energy(cation_charge, anion_charge, cation_radius, anion_radius, born_exponent):
4    # الثوابت
5    AVOGADRO_NUMBER = 6.022e23  # مول^-1
6    MADELUNG_CONSTANT = 1.7476  # لهيكل NaCl
7    ELECTRON_CHARGE = 1.602e-19  # كولوم
8    VACUUM_PERMITTIVITY = 8.854e-12  # فاراد/متر
9    
10    # تحويل الأشعة من البكتومتر إلى متر
11    cation_radius_m = cation_radius * 1e-12
12    anion_radius_m = anion_radius * 1e-12
13    
14    # حساب المسافة بين الأيونات
15    interionic_distance = cation_radius_m + anion_radius_m
16    
17    # حساب طاقة الشبكة بالكيلو جول/مول
18    lattice_energy = -(AVOGADRO_NUMBER * MADELUNG_CONSTANT * 
19                      abs(cation_charge * anion_charge) * ELECTRON_CHARGE**2 / 
20                      (4 * math.pi * VACUUM_PERMITTIVITY * interionic_distance) * 
21                      (1 - 1/born_exponent))
22    
23    # تحويل إلى كجول/مول
24    return lattice_energy / 1000
25
26# مثال: حساب طاقة الشبكة لكلوريد الصوديوم
27energy = calculate_lattice_energy(1, -1, 102, 181, 9)
28print(f"طاقة الشبكة لكلوريد الصوديوم: {energy:.2f} كجول/مول")
29

1function calculateLatticeEnergy(cationCharge, anionCharge, cationRadius, anionRadius, bornExponent) {
2  // الثوابت
3  const AVOGADRO_NUMBER = 6.022e23; // مول^-1
4  const MADELUNG_CONSTANT = 1.7476; // لهيكل NaCl
5  const ELECTRON_CHARGE = 1.602e-19; // كولوم
6  const VACUUM_PERMITTIVITY = 8.854e-12; // فاراد/متر
7  
8  // تحويل الأشعة من البكتومتر إلى متر
9  const cationRadiusM = cationRadius * 1e-12;
10  const anionRadiusM = anionRadius * 1e-12;
11  
12  // حساب المسافة بين الأيونات
13  const interionicDistance = cationRadiusM + anionRadiusM;
14  
15  // حساب طاقة الشبكة بالكيلو جول/مول
16  const latticeEnergy = -(AVOGADRO_NUMBER * MADELUNG_CONSTANT * 
17                        Math.abs(cationCharge * anionCharge) * Math.pow(ELECTRON_CHARGE, 2) / 
18                        (4 * Math.PI * VACUUM_PERMITTIVITY * interionicDistance) * 
19                        (1 - 1/bornExponent));
20  
21  // تحويل إلى كجول/مول
22  return latticeEnergy / 1000;
23}
24
25// مثال: حساب طاقة الشبكة لأكسيد المغنيسيوم
26const energy = calculateLatticeEnergy(2, -2, 72, 140, 9);
27console.log(`طاقة الشبكة لأكسيد المغنيسيوم: ${energy.toFixed(2)} كجول/مول`);
28

1public class LatticeEnergyCalculator {
2    // الثوابت
3    private static final double AVOGADRO_NUMBER = 6.022e23; // مول^-1
4    private static final double MADELUNG_CONSTANT = 1.7476; // لهيكل NaCl
5    private static final double ELECTRON_CHARGE = 1.602e-19; // كولوم
6    private static final double VACUUM_PERMITTIVITY = 8.854e-12; // فاراد/متر
7    
8    public static double calculateLatticeEnergy(int cationCharge, int anionCharge, 
9                                               double cationRadius, double anionRadius, 
10                                               double bornExponent) {
11        // تحويل الأشعة من البكتومتر إلى متر
12        double cationRadiusM = cationRadius * 1e-12;
13        double anionRadiusM = anionRadius * 1e-12;
14        
15        // حساب المسافة بين الأيونات
16        double interionicDistance = cationRadiusM + anionRadiusM;
17        
18        // حساب طاقة الشبكة بالكيلو جول/مول
19        double latticeEnergy = -(AVOGADRO_NUMBER * MADELUNG_CONSTANT * 
20                              Math.abs(cationCharge * anionCharge) * Math.pow(ELECTRON_CHARGE, 2) / 
21                              (4 * Math.PI * VACUUM_PERMITTIVITY * interionicDistance) * 
22                              (1 - 1/bornExponent));
23        
24        // تحويل إلى كجول/مول
25        return latticeEnergy / 1000;
26    }
27    
28    public static void main(String[] args) {
29        // مثال: حساب طاقة الشبكة لأكسيد الكالسيوم
30        double energy = calculateLatticeEnergy(2, -2, 100, 140, 9);
31        System.out.printf("طاقة الشبكة لأكسيد الكالسيوم: %.2f كجول/مول%n", energy);
32    }
33}
34

1' دالة VBA في Excel لحساب طاقة الشبكة
2Function LatticeEnergy(cationCharge As Double, anionCharge As Double, _
3                      cationRadius As Double, anionRadius As Double, _
4                      bornExponent As Double) As Double
5    ' الثوابت
6    Const AVOGADRO_NUMBER As Double = 6.022E+23 ' مول^-1
7    Const MADELUNG_CONSTANT As Double = 1.7476 ' لهيكل NaCl
8    Const ELECTRON_CHARGE As Double = 1.602E-19 ' كولوم
9    Const VACUUM_PERMITTIVITY As Double = 8.854E-12 ' فاراد/متر
10    
11    ' تحويل الأشعة من البكتومتر إلى متر
12    Dim cationRadiusM As Double: cationRadiusM = cationRadius * 1E-12
13    Dim anionRadiusM As Double: anionRadiusM = anionRadius * 1E-12
14    
15    ' حساب المسافة بين الأيونات
16    Dim interionicDistance As Double: interionicDistance = cationRadiusM + anionRadiusM
17    
18    ' حساب طاقة الشبكة بالكيلو جول/مول
19    Dim energyInJ As Double
20    energyInJ = -(AVOGADRO_NUMBER * MADELUNG_CONSTANT * _
21                Abs(cationCharge * anionCharge) * ELECTRON_CHARGE ^ 2 / _
22                (4 * Application.WorksheetFunction.Pi() * VACUUM_PERMITTIVITY * interionicDistance) * _
23                (1 - 1 / bornExponent))
24    
25    ' تحويل إلى كجول/مول
26    LatticeEnergy = energyInJ / 1000
27End Function
28' الاستخدام:
29' =LatticeEnergy(1, -1, 102, 181, 9)
30

1#include <iostream>
2#include <cmath>
3
4// حساب طاقة الشبكة باستخدام معادلة بورن-لاندé
5double calculateLatticeEnergy(int cationCharge, int anionCharge, 
6                             double cationRadius, double anionRadius, 
7                             double bornExponent) {
8    // الثوابت
9    const double AVOGADRO_NUMBER = 6.022e23; // مول^-1
10    const double MADELUNG_CONSTANT = 1.7476; // لهيكل NaCl
11    const double ELECTRON_CHARGE = 1.602e-19; // كولوم
12    const double VACUUM_PERMITTIVITY = 8.854e-12; // فاراد/متر
13    const double PI = 3.14159265358979323846;
14    
15    // تحويل الأشعة من البكتومتر إلى متر
16    double cationRadiusM = cationRadius * 1e-12;
17    double anionRadiusM = anionRadius * 1e-12;
18    
19    // حساب المسافة بين الأيونات
20    double interionicDistance = cationRadiusM + anionRadiusM;
21    
22    // حساب طاقة الشبكة بالكيلو جول/مول
23    double latticeEnergy = -(AVOGADRO_NUMBER * MADELUNG_CONSTANT * 
24                          std::abs(cationCharge * anionCharge) * std::pow(ELECTRON_CHARGE, 2) / 
25                          (4 * PI * VACUUM_PERMITTIVITY * interionicDistance) * 
26                          (1 - 1/bornExponent));
27    
28    // تحويل إلى كجول/مول
29    return latticeEnergy / 1000;
30}
31
32int main() {
33    // مثال: حساب طاقة الشبكة لكلوريد الليثيوم
34    double energy = calculateLatticeEnergy(1, -1, 76, 133, 7);
35    std::cout << "طاقة الشبكة لكلوريد الليثيوم: " << std::fixed << std::setprecision(2) 
36              << energy << " كجول/مول" << std::endl;
37    
38    return 0;
39}
40

الأسئلة الشائعة

ما هي طاقة الشبكة ولماذا هي مهمة؟

طاقة الشبكة هي الطاقة المنطلقة عندما تتجمع الأيونات الغازية لتكوين مركب أيوني صلب. إنها مهمة لأنها توفر رؤى حول استقرار المركب، ونقاط انصهاره وغليانه، وقابليته للذوبان وتفاعليته. تشير طاقات الشبكة الأعلى (القيم الأكثر سلبية) إلى روابط أيونية أقوى، وعادة ما تؤدي إلى مركبات ذات نقاط انصهار أعلى، وقابلية ذوبان أقل، وصلابة أكبر.

هل طاقة الشبكة دائمًا سلبية؟

نعم، طاقة الشبكة دائمًا سلبية (طاردة للحرارة) عندما تُعرّف على أنها الطاقة المنطلقة أثناء تشكيل صلب أيوني من أيونات غازية. تُعرّف بعض الكتب الدراسية طاقة الشبكة على أنها الطاقة المطلوبة لفصل صلب أيوني إلى أيونات غازية، وفي هذه الحالة ستكون إيجابية (ماصة للحرارة). تستخدم الآلة لدينا التعريف التقليدي حيث تكون طاقة الشبكة سلبية.

كيف تؤثر حجم الأيون على طاقة الشبكة؟

يكون لحجم الأيون تأثير كبير على طاقة الشبكة، حيث يرتبط بشكل عكسي. تخلق الأيونات الأصغر جذبًا أقوى كهربائيًا لأنها يمكن أن تقترب من بعضها البعض، مما يؤدي إلى مسافات بين الأيونات أقصر. نظرًا لأن طاقة الشبكة تتناسب عكسيًا مع المسافة بين الأيونات، فإن المركبات التي تحتوي على أيونات أصغر عادة ما تكون لها طاقات شبكة أعلى (قيم أكثر سلبية).

لماذا تمتلك MgO وNaF طاقات شبكة مختلفة على الرغم من أن لهما نفس عدد الإلكترونات؟

على الرغم من أن MgO وNaF كلاهما يحتويان على 10 إلكترونات في كل أيون، فإن لهما طاقات شبكة مختلفة بشكل أساسي بسبب الشحنات الأيونية المختلفة. تتضمن MgO أيونات Mg²⁺ وO²⁻ (شحنات +2 و-2)، بينما تتضمن NaF أيونات Na⁺ وF⁻ (شحنات +1 و-1). نظرًا لأن طاقة الشبكة تتناسب مع حاصل ضرب شحنات الأيونات، فإن طاقة شبكة MgO أعلى بحوالي أربع مرات من طاقة شبكة NaF. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأيونات في MgO أصغر من تلك الموجودة في NaF، مما يزيد من طاقة شبكة MgO.

ما هو معامل بورن وكيف أختار القيمة الصحيحة؟

معامل بورن (n) هو معلمة في معادلة بورن-لاندé تأخذ في الاعتبار قوى التنافر بين الأيونات عندما تبدأ سحب الإلكترونات في التداخل. عادة ما يتراوح بين 5 و12 ويرتبط بضغطية الصلب. بالنسبة للعديد من المركبات الأيونية الشائعة، تُستخدم قيمة 9 كتقريب معقول. للحصول على حسابات أكثر دقة، يمكنك العثور على قيم معامل بورن المحددة في قواعد البيانات البلورية أو الأدبيات البحثية لمركبك المعني.

ما مدى دقة معادلة بورن-لاندé في حساب طاقة الشبكة؟

توفر معادلة بورن-لاندé تقديرات دقيقة لطاقة الشبكة لمعظم المركبات الأيونية البسيطة ذات الهياكل البلورية المعروفة. بالنسبة لمعظم الأغراض التعليمية والكيميائية العامة، تكون دقيقة بشكل كافٍ. ومع ذلك، فإن لها قيودًا بالنسبة للمركبات ذات الطابع التساهمي الكبير، أو الهياكل البلورية المعقدة، أو عندما تكون الأيونات قابلة للاستقطاب بشكل كبير. للحصول على دقة من الدرجة البحثية، يُفضل استخدام حسابات الميكانيكا الكمومية أو التحديدات التجريبية عبر دورات بورن-هابر.

هل يمكن قياس طاقة الشبكة تجريبيًا؟

لا يمكن قياس طاقة الشبكة مباشرة ولكن يمكن تحديدها تجريبيًا باستخدام دورة بورن-هابر. تجمع هذه الدورة الحرارية بين عدة تغييرات طاقة قابلة للقياس (مثل طاقة التأين، والألفة الإلكترونية، وحرارة التكوين) لحساب طاقة الشبكة بشكل غير مباشر. غالبًا ما تُستخدم هذه القيم التجريبية كمعايير لحسابات النظرية.

كيف ترتبط طاقة الشبكة بالذوبانية؟

ترتبط طاقة الشبكة والذوبانية ارتباطًا عكسيًا. تتطلب المركبات ذات طاقات الشبكة الأعلى (القيم الأكثر سلبية) طاقة أكبر لفصل أيوناتها، مما يجعلها أقل قابلية للذوبان في الماء ما لم تكن طاقة الترطيب للأيونات كبيرة بما يكفي للتغلب على طاقة الشبكة. يفسر هذا لماذا يكون MgO (مع طاقة شبكة مرتفعة جدًا) شبه غير قابل للذوبان في الماء، بينما يذوب NaCl (مع طاقة شبكة أقل) بسهولة.

ما الفرق بين طاقة الشبكة وحرارة الشبكة؟

تعتبر طاقة الشبكة وحرارة الشبكة مفاهيم مرتبطة ارتباطًا وثيقًا وغالبًا ما تُستخدم بالتبادل، ولكن هناك فرق طفيف. تشير طاقة الشبكة إلى تغيير الطاقة الداخلية (ΔU) عند حجم ثابت، بينما تشير حرارة الشبكة إلى تغيير الحرارة (ΔH) عند ضغط ثابت. العلاقة بينهما هي ΔH = ΔU + PΔV، حيث أن PΔV عادة ما تكون صغيرة لتشكيل الصلب (تقريبًا RT). بالنسبة لمعظم الأغراض العملية، فإن الفرق ضئيل.

كيف يؤثر ثابت ماديلونغ على حسابات طاقة الشبكة؟

يأخذ ثابت ماديلونغ (A) في الاعتبار الترتيب ثلاثي الأبعاد للأيونات في هيكل بلوري والتفاعلات الكهربائية الناتجة. تحتوي الهياكل البلورية المختلفة على ثوابت ماديلونغ مختلفة. على سبيل المثال، يحتوي هيكل NaCl على ثابت ماديلونغ 1.7476، بينما يحتوي هيكل CsCl على قيمة 1.7627. يتناسب ثابت ماديلونغ طرديًا مع طاقة الشبكة، لذا فإن الهياكل ذات الثوابت الأعلى ستحتوي على طاقات شبكة أعلى، مع بقاء كل شيء آخر ثابتًا.

المراجع

1. أتكينز، ب. ودي باولا، ج. (2014). الكيمياء الفيزيائية لأتكينز (الطبعة العاشرة). مطبعة أكسفورد.

2. جنكينز، هـ. د. ب. وثاكور، ك. ب. (1979). إعادة تقييم نصف القطر الحراري للأيونات المعقدة. مجلة تعليم الكيمياء، 56(9)، 576.

3. هاوسكروفت، س. إ. وشارب، أ. ج. (2018). الكيمياء غير العضوية (الطبعة الخامسة). بيرسون.

4. شانون، ر. د. (1976). نصف الأقطار الأيونية المعدلة والدراسات المنهجية للمسافات بين الذرات في الهاليدات والشالكوجينيدات. أكتا كريستالوجرافية القسم أ، 32(5)، 751-767.

5. بورن، م. ولاندé، أ. (1918). حول حساب قابلية الضغط للبلورات المنتظمة من نظرية الشبكة. مناقشات الجمعية الألمانية للفيزياء، 20، 210-216.

6. كابستينسكي، أ. ف. (1956). طاقة الشبكة للبلورات الأيونية. مراجعات ربع سنوية، الجمعية الكيميائية، 10(3)، 283-294.

7. جنكينز، هـ. د. ب. وموريس، د. ف. ج. (1976). تقدير جديد لمعامل بورن. الفيزياء الجزيئية، 32(1)، 231-236.

8. غلاسر، ل. وجينكينز، هـ. د. ب. (2000). طاقات الشبكة وأحجام وحدة الخلية للمواد الأيونية المعقدة. مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، 122(4)، 632-638.

جرب آلة حساب طاقة الشبكة اليوم

الآن بعد أن فهمت أهمية طاقة الشبكة وكيفية حسابها، جرب آلتنا لتحديد طاقة الشبكة لمختلف المركبات الأيونية. سواء كنت طالبًا تتعلم عن الروابط الكيميائية، أو باحثًا تحلل خصائص المواد، أو محترفًا تطور مركبات جديدة، توفر أداتنا نتائج سريعة ودقيقة لدعم عملك.

للحصول على حسابات أكثر تقدمًا أو لاستكشاف المفاهيم ذات الصلة، تحقق من الآلات والموارد الكيميائية الأخرى لدينا. إذا كان لديك أسئلة أو تعليقات حول آلة حساب طاقة الشبكة، يرجى الاتصال بنا من خلال نموذج التعليقات أدناه.