Perché la formazione di composti ionici è esotermica

Vi siete mai chiesti perché la formazione di composti ionici sia esotermica? La risposta rapida è che il composto ionico risultante è più stabile degli ioni che lo hanno formato. L'energia extra dagli ioni viene rilasciata come calore quando si formano legami ionici. Quando da una reazione viene rilasciato più calore di quanto sia necessario affinché ciò accada, la reazione è esotermica.

Comprendi l'energia del legame ionico

I legami ionici si formano tra due atomi con una grande differenza di elettronegatività tra loro. In genere, questa è una reazione tra metalli e non metalli. Gli atomi sono così reattivi perché non hanno gusci di elettroni di valenza completi. In questo tipo di legame, un elettrone di un atomo viene essenzialmente donato all'altro atomo per riempire il suo guscio elettronico di valenza. L'atomo che "perde" il suo elettrone nel legame diventa più stabile perché donando l'elettrone si ottiene un guscio di valenza riempito o semivaso. L'instabilità iniziale è così grande per i metalli alcalini e le terre alcaline che è necessaria poca energia per rimuovere l'elettrone esterno (o 2, per le terre alcaline) per formare cationi. Gli alogeni, d'altra parte, accettano prontamente gli elettroni per formare anioni. Mentre gli anioni sono più stabili degli atomi, è ancora meglio se i due tipi di elementi possono unirsi per risolvere il loro problema energetico. Questo è dove si verifica il legame ionico.

Per capire davvero cosa sta succedendo, considera la formazione di cloruro di sodio (sale da cucina) da sodio e cloro. Se prendi sodio metallico e cloro gassoso, il sale si forma in una reazione esotermica spettacolare (come in, non provarlo a casa). L'equazione chimica ionica bilanciata è:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

Il NaCl esiste come reticolo cristallino di ioni sodio e cloro, in cui l'elettrone extra proveniente da un atomo di sodio riempie il "buco" necessario per completare il guscio elettronico esterno di un atomo di cloro. Ora, ogni atomo ha un ottetto completo di elettroni. Dal punto di vista energetico, questa è una configurazione altamente stabile. Esaminando la reazione più da vicino, potresti confonderti perché:

La perdita di un elettrone da un elemento è sempre Endotermico (perché l'energia è necessaria per rimuovere l'elettrone dall'atomo.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Mentre il guadagno di un elettrone da parte di un non metallo è solitamente esotermico (l'energia viene rilasciata quando il non-metallo guadagna un ottetto completo).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Quindi, se fai semplicemente la matematica, puoi vedere la formazione di NaCl da sodio e cloro in realtà richiede l'aggiunta di 147 kJ / mol per trasformare gli atomi in ioni reattivi. Tuttavia, osservando la reazione, sappiamo che l'energia netta viene rilasciata. Cosa sta succedendo?

La risposta è che l'energia extra che rende la reazione esotermica è l'energia reticolare. La differenza nella carica elettrica tra gli ioni sodio e cloro fa sì che siano attratti l'uno dall'altro e si muovano l'uno verso l'altro. Alla fine, gli ioni caricati in modo opposto formano un legame ionico tra loro. La disposizione più stabile di tutti gli ioni è un reticolo cristallino. Per spezzare il reticolo NaCl (l'energia reticolare) richiede 788 kJ / mol:

NaCl (s) → Na⁺ + Cl^- AH_reticolo = +788 kJ / mol

La formazione del reticolo inverte il segno sull'entalpia, quindi ΔH = -788 kJ per mole. Quindi, anche se occorrono 147 kJ / mol per formare gli ioni, molto di piu l'energia viene rilasciata dalla formazione reticolare. La variazione netta di entalpia è -641 kJ / mol. Pertanto, la formazione del legame ionico è esotermica. L'energia reticolare spiega anche perché i composti ionici tendono ad avere punti di fusione estremamente elevati.

Gli ioni poliatomici formano legami più o meno allo stesso modo. La differenza è che si considera il gruppo di atomi che forma quel catione e quell'anione piuttosto che ogni singolo atomo.