玻恩–朗德方程

玻恩－朗德方程（英語：Born–Landé equation）是由德國化學家馬克斯·玻恩和阿爾弗雷德·朗德提出的一個計算離子化合物晶格能的公式。1918年^[1]，馬克斯·玻恩和阿爾弗雷德·朗德提出晶格能的計算公式可由離子晶格的靜電勢和推斥型勢能概念推導出來^[2]。

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

其中：

• N_A = 阿伏伽德羅常數；
• M = 馬德隆常數，取決於晶體中的幾何排列；
• z⁺ = 陽離子電荷數；
• z⁻ = 陰離子電荷數；
• e = 元電荷，大約1.6022×10⁻¹⁹ C；
• ε₀ = 真空電容率；

  4πε₀ = 1.112×10⁻¹⁰ C²/(J·m)

• r₀ = 最近離子的距離
• n = 玻恩指數，通常在5到12之間，可由實驗測定壓縮性或理論計算得出^[3]。

推導

離子晶體可以用硬的彈性球模型來描述，它們之間通過陰陽離子的靜電引力結合在一起。它們的平衡距離就是靜電引力與短距斥力相平衡的位置。

靜電勢

一對電量相等、電性相反的離子間的靜電勢${\displaystyle E_{\text{pair}}}$為：

${\displaystyle E_{\text{pair}}=-{\frac {z^{2}e^{2}}{4\pi \epsilon _{0}r}}}$

其中：

z = 一個離子所帶電荷

e = 元電荷，大約1.6022×10⁻¹⁹ C；

ε₀ = 真空電容率；

4πε₀ = 1.112×10⁻¹⁰ C²/(J·m)；

r₀ = 最近離子的距離

對於陰陽離子個數比1:1的簡單晶體，對一個離子和晶格中其他離子的相互作用力求和可以算出${\displaystyle E_{M}}$，有時稱作馬德堡能或晶格能：

${\displaystyle E_{M}=-{\frac {z^{2}e^{2}M}{4\pi \epsilon _{0}r}}}$

其中：

${\displaystyle M}$ = 馬德隆常數，取決於晶體中的幾何排列；

${\displaystyle r}$ = 最近不同電性離子的距離

排斥理論

玻恩和朗德認為晶體中離子的排斥作用與${\displaystyle 1/r^{n}}$成正比，所以推斥能${\displaystyle E_{R}}$可以表示為：

${\displaystyle \,E_{R}={\frac {B}{r^{n}}}}$

其中：

${\displaystyle B}$ = 表示推斥作用強度的常數

${\displaystyle r}$ = 最近不同電性離子的距離

${\displaystyle n}$ = 玻恩指數，通常在5到12之間，表示某種晶體的壓縮性

總能量

因此，晶體中一個離子總的勢能可表示為馬德隆能和推斥勢能的和：

${\displaystyle E(r)=-{\frac {z^{2}e^{2}M}{4\pi \epsilon _{0}r}}+{\frac {B}{r^{n}}}}$

將這個能量對${\displaystyle r}$微分即可得到用平衡距離${\displaystyle r_{0}}$表示未知常數${\displaystyle B}$的關係式：

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} E}{\mathrm {d} r}}&={\frac {z^{2}e^{2}M}{4\pi \epsilon _{0}r^{2}}}-{\frac {nB}{r^{n+1}}}\\0&={\frac {z^{2}e^{2}M}{4\pi \epsilon _{0}r_{0}^{2}}}-{\frac {nB}{r_{0}^{n+1}}}\\r_{0}&=\left({\frac {4\pi \epsilon _{0}nB}{z^{2}e^{2}M}}\right)^{\frac {1}{n-1}}\\B&={\frac {z^{2}e^{2}M}{4\pi \epsilon _{0}n}}r_{0}^{n-1}\end{aligned}}}$

求出最小推斥勢能並將${\displaystyle B}$用含有${\displaystyle r_{0}}$代入即可得到玻恩－朗德方程：

${\displaystyle E(r_{0})=-{\frac {Mz^{2}e^{2}}{4\pi \epsilon _{0}r_{0}}}\left(1-{\frac {1}{n}}\right)}$

計算晶格能

玻恩－朗德方程的計算結果與實驗符合得較好^[2]：

化合物	計算晶格能	實驗晶格能
NaCl	−756 kJ/mol	−787 kJ/mol
LiF	−1007 kJ/mol	−1046 kJ/mol
CaCl2	−2170 kJ/mol	−2255 kJ/mol

參見

• 卡普斯欽斯基方程

參考資料

1. Brown, I. David. The chemical bond in inorganic chemistry : the bond valence model Reprint. New York: Oxford University Press. 2002. ISBN 0-19-850870-0.
2. Johnson, the Open University ; RSC ; edited by David. Metals and chemical change 1. publ. Cambridge: Royal Society of Chemistry. 2002. ISBN 0-85404-665-8.
3. Cotton, F. Albert; Wilkinson, Geoffrey, Advanced Inorganic Chemistry 4th, New York: Wiley, 1980, ISBN 0-471-02775-8