玻恩-蘭德公式

玻恩-蘭德公式是由玻恩(M.Born)和蘭德(Lander)發現並給出的一個計算離子晶體晶格能的公式。

玻恩-蘭德公式

玻恩-蘭德公式:

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在公式中,U表示離子晶體的晶格能,M表示馬德隆常數(與離子晶體結構有關),Z+,Z-表示晶體中陰、陽離子電荷。r0相鄰陰、陽離子間距。U以KJ/mol為單位,r0以pm為單位。

典型無機晶體結構的馬德隆常數(M)
離子的晶體類型 NaCl 型 CsCl型CaF2型閃鋅礦型纖鋅礦型
M1.747561.767675.038781.638051.64132

推導過程

晶格能的理論計算是依據靜電作用定律,即陰、陽離子間的吸引力與電子之間、核之間的排斥力達到平衡時,體系能量達到最低。計算說明,陰、陽離子在晶體中比單獨離子對中更穩定。在實際的三維晶體結構,以NaCl(s)為例,每個Na+有最鄰近的6個Cl-(r0),有次鄰近的12個Na+(1.414r0),有次鄰近的8個Cl-(1.732r0)等,因此,受到的靜電作用能為

玻恩-蘭德公式 玻恩-蘭德公式

括弧中數值收斂於1.74756,此數成為馬德隆常數(Madelung constant)

馬德隆常數(M)與離子晶體結構有關,上表列出了典型無機晶體結構的馬德隆常數。

由於陰、陽離子的電子之間、原子核之間存在排斥作用,排斥能正比於1/r^n,所以

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上式中,B為比例常數,n為玻恩指數,n與離子的電子構型的關係如下表所示。正負離子的電子構型不同時,取各自玻恩指數的平均值。

離子的電子構型HeNeArKrXe
n5791012

考慮靜電作用能和排斥能,1mol離子晶體的總能量為

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晶體最穩定狀態是在r=r0時,所以上式必有極值,則Er對r的一階導數應為0,這樣可求出常數B:

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把B值帶入Er公式中,當r=r0時,並帶入所有常數,若晶體中的陰、陽離子電荷為Z+,Z-,得到玻恩-蘭德公式

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用此公式計算所得的NaCl的晶格能為753.5KJ/mol,與玻恩-哈伯循環推算的結果相近。

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