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C博士专栏 ，专注于电池电化学领域的博士及专家们的专栏。本栏目特邀请公众号“康桥电池能源CamCellLab”的特约撰稿人查尔斯博士，他多年从事电池电化学方面的研究工作。去年他在本公众号开专栏，介绍电池知识，获得很好的反响。今年他开始介绍一些大学化学知识，非常精彩，看内容！
由钠和氯生成氯化钠是放热的，这个反应的生成焓是很大的负值（ΔHf° = -410.9 kJ）。 是什么因素使离子化合物的形成放热？
如上面所示，我们将 NaCl 的形成表示为电子从 Na 到 Cl 的转移。原子失去电子始终是一个吸热过程。从 Na(g) 中失去一个电子形成 Na (g) 需要 496 kJ/mol。而非金属获得电子时，该过程通常是放热的，这可以从元素的电子亲和力是负值可以看出。
Cl(g)得到一个电子会释放 349 kJ/mol。从这些能量的大小可以看出，电子从 Na 原子到 Cl 原子的转移不会是放热的——整个过程将是一个吸热过程，需要 496 - 349 = 147 kJ/mol。但是，我们需要知道，这种分析是对应于相距无限远的钠离子和氯离子的形成。也就是说，这个分析是假设两个离子之间没有任何互相作用，而这和离子化合物中通过离子键相互作用是完全不同的。
离子化合物稳定的主要原因是带相反电荷的离子之间的吸引力。这种吸引力将离子吸引到一起，释放能量并导致许多离子形成固体阵列或晶格。晶格能是衡量在离子化合物中带相反电荷的离子所产生的稳定性的量度，晶格能是将一摩尔固体离子化合物完全分离成气态离子所需的能量。
可以想象这个过程，NaCl结构从内部开始，离子之间的距离增加，直到离子相距很远。这个过程需要 788 kJ/mol，这是晶格能的值：
请注意，此过程是高度吸热的。Na (g)和 Cl-(g)结合形成 NaCl(s)的逆过程因此是高度放热的（ΔH = -788 kJ/mol）。
表 1 一些离子化合物的晶格能
表 1 列出了一些离子化合物的晶格能。大的正值表明离子在离子固体中相互强烈吸引。
不同电量的离子之间的吸引力释放的能量足以弥补电离能的吸热性质，使离子化合物的形成成为放热过程。强大的吸引力还导致大多数离子材料硬而脆，熔点高——例如，NaCl 在 801 °C 时熔化。
离子化合物的晶格能量大小取决于离子的电荷，它们的大小以及它们在化合物中的排列。两个相互作用的带电粒子的静电势能由下式给出
在这个式子中，Q1 和 Q2 是以库仑为单位的粒子上的电荷，带有它们的符号；d 是它们的中心之间的距离，以米为单位；k 为常数，8.99 * 109 J m/C2。
这个式子表明，两个带相反电荷的离子之间的吸引力的相互作用随着它们电荷量的增加而增加，随着它们中心之间的距离的增大而减小。
因此，对于给定的离子排列，晶格能量随着离子上的电荷增加和它们的半径减小而增加。晶格能量大小的变化更多地取决于离子电荷而不是离子半径，因为与电荷相比，离子半径仅在有限范围内变化。
图1：晶格能量随阳离子或阴离子半径变化的周期性趋势。
因为，晶格能量随着离子之间距离的增加而降低，晶格能量遵循与离子半径平行的趋势，图 1 说明了碱金属氯化物 MCl（M = Li、Na、K、Rb、Cs）和卤化钠 NaX （X = F、Cl、Br、I） 的这种趋势。
练习题目：
按照晶格能增加的顺序排列离子化合物 NaF、CsI 和 CaO。
解：我们需要确定化合物中离子的电荷和相对大小。(a) 离子电荷越大，能量越大，(b) 离子距离越远，能量越低。
NaF 由 Na 和 F- 离子组成，Cs 和 I- 离子组成 CsI，Ca2 和 O2- 离子组成 CaO。当电荷增加时，晶格能量急剧增加。因此，我们预计具有 2 和 2- 离子的 CaO 的晶格能是三者中最大的。
NaF 和 CsI 中的离子电荷相同。因此，它们的晶格能量差异取决于晶格中离子之间的距离。因为随着我们在元素周期表中下降一个族，离子半径会增加，我们知道 Cs 大于 Na 并且 I- 大于 F- 。因此，NaF 中 Na 和 F- 离子之间的距离小于 CsI 中 Cs 和 I- 离子之间的距离。因此，NaF 的晶格能应大于 CsI 的晶格能。因此，我们有 CsI < NaF < CaO。
下期剧透：s 和 p 块元素的离子的电子排列和过渡金属离子
