Cycle Born-Haber - Born–Haber cycle

Le cycle Born-Haber est une approche pour analyser les énergies de réaction . Il a été nommé d'après les deux scientifiques allemands Max Born et Fritz Haber , qui l'ont développé en 1919. Il a également été formulé indépendamment par Kasimir Fajans et publié simultanément dans le même numéro de la même revue. Le cycle concerne la formation d'un composé ionique à partir de la réaction d'un métal (souvent un élément du groupe I ou du groupe II ) avec un halogène ou un autre élément non métallique tel que l' oxygène .

Les cycles de Born-Haber sont principalement utilisés pour calculer l' énergie du réseau (ou plus précisément l' enthalpie ), qui ne peut autrement être mesurée directement. L' enthalpie du réseau est le changement d' enthalpie impliqué dans la formation d'un composé ionique à partir d'ions gazeux (un processus exothermique ), ou parfois défini comme l'énergie pour briser le composé ionique en ions gazeux (un processus endothermique ). Un cycle de Born-Haber applique la loi de Hess pour calculer l'enthalpie du réseau en comparant le changement d'enthalpie standard de formation du composé ionique (à partir des éléments) à l'enthalpie nécessaire pour fabriquer des ions gazeux à partir des éléments .

Ce dernier calcul est complexe. Pour fabriquer des ions gazeux à partir d'éléments, il faut atomiser les éléments (transformer chacun en atomes gazeux) puis ioniser les atomes. Si l'élément est normalement une molécule, nous devons d'abord considérer son enthalpie de dissociation de liaison (voir aussi l' énergie de liaison ). L'énergie nécessaire pour éliminer un ou plusieurs électrons pour fabriquer un cation est une somme d' énergies d'ionisation successives ; par exemple, l'énergie nécessaire pour former Mg ²⁺ est l'énergie d'ionisation requise pour éliminer le premier électron de Mg, plus l'énergie d'ionisation nécessaire pour éliminer le deuxième électron de Mg ⁺ . L'affinité électronique est définie comme la quantité d'énergie libérée lorsqu'un électron est ajouté à un atome ou une molécule neutre à l'état gazeux pour former un ion négatif.

Le cycle Born-Haber s'applique uniquement aux solides entièrement ioniques tels que certains halogénures alcalins . La plupart des composés incluent des contributions covalentes et ioniques à la liaison chimique et à l'énergie du réseau, qui est représentée par un cycle thermodynamique de Born-Haber étendu. Le cycle de Born-Haber étendu peut être utilisé pour estimer la polarité et les charges atomiques des composés polaires.

Exemples

Formation de LiF

Cycle de Born-Haber pour le changement d'enthalpie standard de formation de fluorure de lithium . ΔH _latt correspond à U _L dans le texte. La flèche vers le bas «affinité électronique» montre la quantité négative –EA _F , puisque EA _F est généralement défini comme positif.

L'enthalpie de formation du fluorure de lithium (LiF) à partir de ses éléments lithium et fluor sous leurs formes stables est modélisée en cinq étapes dans le diagramme:

1. Changement d'enthalpie de l'enthalpie d'atomisation du lithium
2. Enthalpie d'ionisation du lithium
3. Enthalpie d'atomisation du fluor
4. Affinité électronique du fluor
5. Enthalpie de réseau

Le même calcul s'applique pour tout métal autre que le lithium ou tout métal non métallique autre que le fluor.

La somme des énergies pour chaque étape du procédé doit être égale à l'enthalpie de formation du métal et de non-métal, . ${\ displaystyle \ Delta H_ {f}}$

${\ displaystyle \ Delta H_ {f} = V + {\ frac {1} {2}} B + {\ mathit {IE}} _ {{\ ce {M}}} - {\ ce {EA}} _ {{ \ ce {X}}} + U_ {L}}$

• V est l' enthalpie de sublimation pour les atomes métalliques (lithium)
• B est l'énergie de liaison (de F ₂ ). Le coefficient 1/2 est utilisé car la réaction de formation est Li + 1/2 F ₂ → LiF.
• ${\ displaystyle {\ ce {{\ mathit {IE}} _ {M}}}}$ est l' énergie d'ionisation de l'atome métallique: ${\ displaystyle {\ ce {{M} + {\ mathit {IE}} _ {M} -> {M +} + e ^ {-}}}}$
• ${\ displaystyle {\ ce {{\ mathit {EA}} _ {X}}}}$ est l' affinité électronique de l'atome non métallique X (fluor)
• ${\ displaystyle U_ {L}}$ est l' énergie du réseau (définie ici comme exothermique)

L'enthalpie nette de formation et les quatre premières des cinq énergies peuvent être déterminées expérimentalement, mais l'énergie du réseau ne peut pas être mesurée directement. Au lieu de cela, l'énergie du réseau est calculée en soustrayant les quatre autres énergies du cycle Born-Haber de l'enthalpie nette de formation.

Le mot cycle fait référence au fait que l'on peut également égaler à zéro le changement d'enthalpie total pour un processus cyclique, commençant et se terminant par LiF (s) dans l'exemple. Cela mène à

${\ displaystyle 0 = - \ Delta H_ {f} + V + {\ frac {1} {2}} B + {\ mathit {IE}} _ {{\ ce {M}}} - {\ mathit {EA}} _ {{\ ce {X}}} + U_ {L}}$

ce qui équivaut à l'équation précédente.

Formation de NaBr

Aux températures ordinaires, Na est solide et Br ₂ est liquide, la chaleur de vaporisation est ajoutée à l'équation:

${\ displaystyle \ Delta H_ {f} = V + {\ frac {1} {2}} B + {\ frac {1} {2}} \ Delta _ {vap} H + {\ mathit {IE}} _ {{\ ce {M}}} - {\ ce {EA}} _ {{\ ce {X}}} + U_ {L}}$

• ${\ displaystyle \ Delta _ {vap} H}$ est l'enthalpie de vaporisation du Br ₂ en kJ / mol.

Voir également

• Composé ionique
• Liquides ioniques
• Loi de Hess

Remarques

Les références

Liens externes

• ChemGuy sur le cycle Born-Haber