Energi kisi

Energi kisi dari suatu padatan kristalin adalah ukuran energi yang dilepas ketika ion-ion penyusunnya bergabung untuk membentuk senyawa. Energi ini merupakan ukuran gaya kohesif yang mengikat ion-ion tersebut. Energi kisi adalah energi yang dilepaskan bila ion positif dan ion negatif dalam keadaan gas membentuk padatan kristal ionik.^[1]

M⁺ (g) + X^- (g) → M⁺X^- (s)

Energi kisi karenanya dapat dianggap sebagai ukuran kekuatan ikatan ionik. Energi kisi terkait dengan banyak sifat fisik senyawa termasuk kelarutan, tingkat kekerasan dan volatilitas. Energi kisi biasanya ditentukan siklus Born–Haber.^[2]

Energi kisi vs entalpi kisi

Energi kisi bersifat eksotermik, yaitu, nilai ΔH_lat bernilai negatif karena nilai ini menyatakan penggabungan ion berfasa gas yang terpisah tak berhingga dalam vakum untuk membentuk kisi ionik. Entalpi kisi dilaporkan sebagai nilai positif.^[3]

Kisi kristal natrium klorida

Konsep energi kisi awalnya dikembangkan untuk senyawa berstruktur-garam batu dan senyawa berstruktur-sfalerit seperti NaCl dan ZnS, di mana ion-ion menempati lokasi kisi kristal bersimetri-tinggi. Dalam kasus NaCl, energi kisi adalah energi yang dilepaskan oleh reaksi:^[4]

Na⁺ (g) + Cl⁻ (g) → NaCl (s)

yang bernilai -786 kJ/mol.^[5]

Beberapa buku^[6] dan CRC Handbook of Chemistry and Physics yang umum digunakan^[7] mendefinisikan energi kisi dengan tanda yang berlawanan, yaitu energi yang diperlukan untuk mengubah kristal menjadi ion gas yang terpisah secara tak terbatas dalam vakum, suatu proses endotermik. Setelah konvensi ini, energi kisi NaCl akan menjadi +786 kJ/mol. Energi kisi untuk kristal ionik seperti natrium klorida, logam seperti besi, atau senyawa yang terikat secara kovalen seperti intan jauh berukuran lebih besar daripada padatan seperti gula atau yodium, yang molekul netralnya berinteraksi hanya oleh dipol-dipol atau gaya van der Waals yang lebih lemah.^[1]

Hubungan teoretis

Hubungan antara energi kisi molar dan entalpi kisi molar dinyatakan dalam persamaan:^[3]

${\displaystyle \Delta _{G}U=\Delta _{G}H-p\Delta V_{m}}$,

di mana ${\displaystyle \Delta _{G}U}$ adalah energi kisi molar, ${\displaystyle \Delta _{G}H}$ adalah entalpi kisi molar, dan ${\displaystyle \Delta V_{m}}$ adalah perubahan volume per mol. Karenanya, entalpi kisi lebih lanjut memperhitungkan bahwa pekerjaan harus dilakukan terhadap tekanan luar ${\displaystyle p}$.^[3]

Energi kisi dari senyawa ionik tergantung pada muatan ion yang membentuk padatan. Lebih jauh lagi, mempertimbangkan ukuran relatif dan absolut dari pengaruh ion ΔH_lat.^[3]

Persamaan Born–Landé

Artikel utama: Persamaan Born–Landé

Pada tahun 1918^[8] Born dan Landé mengusulkan bahwa energi kisi dapat diturunkan dari potensial listrik dari kisi ionik dan istilah energi potensial repulsif.^[5]

${\displaystyle E=-{\frac {N_{A}Mz^{+}z^{-}q_{e}^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}r_{0}}}\left(1-{\frac {1}{n}}\right),}$

di mana

N_A adalah konstanta Avogadro;

M adalah konstanta Madelung, terkait dengan geometri kristal;

z⁺ adalah muatan kation;

z⁻ adalah muatan anion;

q_e adalah muatan elementer, setara 1,6022×10⁻¹⁹ C;

ε₀ adalah permitivitas ruang hampa, setara 8,854×10⁻¹² C² J⁻¹ m⁻¹;

r₀ adalah jarak ke ion terdekat; dan

n adalah eksponen Born, bilangan antara 5 dan 12, ditentukan secara eksperimental dengan mengukur kompresibilitas padatan, atau diturunkan secara teoritis.^[9]

Persamaan Kapustinskii

Persamaan Kapustinskii dapat digunakan sebagai cara yang lebih sederhana untuk memperoleh energi kisi di mana presisi tinggi tidak diperlukan.^[5]

Efek polarisasi

Untuk senyawa ionik dengan ion yang menempati situs kisi dengan grup titik kristalografi C₁, C_1h, C_n atau C_nv (n = 2, 3, 4 atau 6) konsep energi kisi dan siklus Born-Haber harus diperluas.^[10] Dalam kasus ini, energi polarisasi E_pol terkait dengan ion di situs kisi kutub harus dimasukkan dalam siklus Born-Haber dan reaksi pembentukan padatan harus dimulai dari spesi yang sudah terpolarisasi. Sebagai contoh, seseorang dapat mempertimbangkan kasus besi-pirit FeS₂, di mana ion belerang menempati situs kisi dengan grup simetri titik C₃. Reaksi yang mendefinisikan energi kisi kemudian dituliskan:^[11]

Fe²⁺ (g) + 2 pol S⁻ (g) → FeS₂ (s)

di mana pol S⁻ merupakan singkatan dari ion belerang gas yang terpolarisasi. Telah ditunjukkan bahwa pengabaian efek ini menyebabkan perbedaan 15% antara energi siklus termodinamika teoretis dan eksperimental dari FeS₂ yang berkurang menjadi hanya 2%, ketika efek polarisasi belerang dimasukkan.^[12]

Lihat pula

• Energi ikatan
• Energi disosiasi ikatan
• Siklus Born–Haber
• Ikatan kimia
• Konstanta Madelung
• Konduktivitas ionik
• Entalpi pelelehan
• Entalpi perubahan larutan
• Panas pengenceran

Referensi

1. Dekker A.J., ed. (1981). "Lattice Energy of Ionic Crystals". Solid State Physics (dalam bahasa Inggris). London: Palgrave. doi:10.1007/978-1-349-00784-4_5. ISBN 978-0-333-10623-5.
2. Atkins; et al. (2010). Shriver and Atkins' Inorganic Chemistry (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-5). New York: W. H. Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-1820-7.
3. Jim Clark (2010). "LATTICE ENTHALPY (LATTICE ENERGY)". Chemguide.co.uk (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 30 Juli 2019.
4. Burgess, J. (1978). Metal Ions in Solution. New York: Ellis Horwood. ISBN 978-0-85312-027-8.
5. David Arthur Johnson, Metals and Chemical Change, Open University, Royal Society of Chemistry, 2002,ISBN 0-85404-665-8
6. Zumdahl, Steven S. (1997). Chemistry (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-4). Boston: Houghton Mifflin. hlm. 357–358. ISBN 978-0-669-41794-4.
7. Haynes, William M.; Lide, David R.; Bruno, Thomas J. (2017). CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group. hlm. 12–22 to 12–34. ISBN 9781498754293.
8. I.D. Brown, The Chemical Bond in Inorganic Chemistry, IUCr monographs in crystallography, Oxford University Press, 2002, ISBN 0-19-850870-0
9. Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey; (1966). Advanced Inorganic Chemistry (2d Edn.) New York:Wiley-Interscience.
10. M. Birkholz (1995). "Crystal-field induced dipoles in heteropolar crystals – I. concept". Z. Phys. B. 96 (3): 325–332. Bibcode:1995ZPhyB..96..325B. CiteSeerX 10.1.1.424.5632 . doi:10.1007/BF01313054.
11. K. Sato (1985). "Pyrite type compounds — With particular reference to optical characterization". Prog. Cryst. Growth Charact. 11 (3): 109–154. doi:10.1016/0146-3535(85)90032-2.
12. M. Birkholz (1992). "The crystal energy of pyrite". J. Phys.: Condens. Matter. 4 (29): 6227–6240. Bibcode:1992JPCM....4.6227B. doi:10.1088/0953-8984/4/29/007.