격자 에너지

결정성 이온 결합 화합물 1몰을 구성 성분의 기체 상태 이온으로 만들 때 필요한 에너지를 격자 에너지(lattice energy) 또는 결정 격자 에너지(crystal lattice energy)라고 한다. 즉, 다음 반응의 반응 에너지를 염화 나트륨 결정의 격자 에너지(@@NAMATH_INLINE@@U_{crystal}@@NAMATH_INLINE@@)라고 정의한다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ NaCl(s) -> Na+(g) + Cl^{-}(g) }@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ \ \ U_{crystal}(NaCl) = 786 \ kJ/mol @@NAMATH_INLINE@@

격자 에너지값이 클수록 결정을 형성하고 있는 이온을 분리하기가 어렵기에 안정하다. 격자 에너지는 매우 크기에 높은 온도로 가열하여도 각 성분의 기체 상태 이온으로 분해되지 않는다.

목차

격자 에너지와는 달리 격자 엔탈피는 기체 상태 이온으로부터 결정이 만들어지는 반응의 엔탈피 변화량으로 정의된다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ Na+(g) + Cl^{-}(g) -> NaCl(s) }@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ \ \ \Delta H_{crystal}(NaCl) = -786 \ kJ/mol @@NAMATH_INLINE@@

따라서 격자 엔탈피와 격자 에너지는 절댓값은 같지만, 부호가 반대이다. 하지만 두 양을 구분하지 않고 모두 격자 에너지라고 부르기도 한다.¹⁾

그림 1에서 각 성분 이온이 결정을 형성할 때 에너지 변화를 격자 엔탈피 그리고 결정이 각 성분으로 분해될 때 필요한 에너지를 격자 에너지라고 한다.

그림 1. 격자 엔탈피와 격자 에너지.()

전하를 띤 이온은 크기가 작고 전하량이 클수록 불안정하다. 따라서 성분 이온의 크기가 작고 전하량이 클수록 격자 에너지가 커진다. 표 1에 나와 있는 것처럼 플루오린화 리튬(@@NAMATH_INLINE@@LiF@@NAMATH_INLINE@@)의 격자 에너지는 염화 리튬(@@NAMATH_INLINE@@LiCl@@NAMATH_INLINE@@)이나 플루오린화 소듐(@@NAMATH_INLINE@@NaF@@NAMATH_INLINE@@)의 격자 에너지보다 큰 값을 갖는다. 2가 이온으로 이루어진 산화 마그네슘( @@NAMATH_INLINE@@MgO@@NAMATH_INLINE@@)은 1가 이온으로 이루어진 플루오린화 소듐보다 격자 에너지가 훨씬 큰 것을 알 수 있다.

표 1. 이온 결합 화합물의 격자 에너지. (@@NAMATH_INLINE@@kJ/mol@@NAMATH_INLINE@@)²⁾

이온 결합 화합물의 격자 에너지는 그 3차원적 구조로부터 계산할 수 있는 정전기적 퍼텐셜 에너지와 근사적으로 같으며, 이 정전기적 퍼텐셜 에너지를 계산하는 데 마델룽 상수(Madelung constant)가 이용된다.

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