Por qué la formación de compuestos iónicos es exotérmica

¿Alguna vez te has preguntado por qué la formación de compuestos iónicos es exotérmica? La respuesta rápida es que el compuesto iónico resultante es más estable que los iones que lo formaron. La energía extra de los iones se libera como calor cuando se forman enlaces iónicos. Cuando una reacción libera más calor del necesario para que ocurra, la reacción es exotérmica.

Comprender la energía del enlace iónico

Los enlaces iónicos se forman entre dos átomos con una gran diferencia de electronegatividad entre sí. Típicamente, esta es una reacción entre metales y no metales. Los átomos son tan reactivos porque no tienen capas de electrones de valencia completas. En este tipo de enlace, un electrón de un átomo se dona esencialmente al otro átomo para llenar su capa de electrones de valencia. El átomo que "pierde" su electrón en el enlace se vuelve más estable porque la donación del electrón da como resultado una capa de valencia llena o medio llena. La inestabilidad inicial es tan grande para los metales alcalinos y las tierras alcalinas que se requiere poca energía para eliminar el electrón externo (o 2, para las tierras alcalinas) para formar cationes. Los halógenos, por otro lado, aceptan fácilmente los electrones para formar aniones. Si bien los aniones son más estables que los átomos, es aún mejor si los dos tipos de elementos pueden unirse para resolver su problema de energía. Aquí es donde ocurre la unión iónica.

Para comprender realmente lo que está sucediendo, considere la formación de cloruro de sodio (sal de mesa) a partir del sodio y el cloro. Si toma sodio metal y cloro gaseoso, la sal se forma en una reacción espectacularmente exotérmica (como en, no intente esto en casa). La ecuación química iónica balanceada es:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

El NaCl existe como una red cristalina de iones de sodio y cloro, donde el electrón extra de un átomo de sodio llena el "agujero" necesario para completar la capa externa de electrones del átomo de cloro. Ahora, cada átomo tiene un octeto completo de electrones. Desde el punto de vista energético, esta es una configuración altamente estable. Examinando la reacción más de cerca, puede confundirse porque:

La pérdida de un electrón de un elemento es siempre endotérmico (porque se necesita energía para eliminar el electrón del átomo.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Mientras que la ganancia de un electrón por un no metal generalmente es exotérmica (la energía se libera cuando el no metal gana un octeto completo).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Entonces, si simplemente hace los cálculos, puede ver que la formación de NaCl a partir de sodio y cloro realmente requiere la adición de 147 kJ / mol para convertir los átomos en iones reactivos. Sin embargo, al observar la reacción, sabemos que se libera energía neta. Qué esta pasando?

La respuesta es que la energía extra que hace que la reacción sea exotérmica es la energía reticular. La diferencia en la carga eléctrica entre los iones de sodio y cloro hace que se atraigan entre sí y se muevan uno hacia el otro. Finalmente, los iones con carga opuesta forman un enlace iónico entre sí. La disposición más estable de todos los iones es una red cristalina. Para romper la red de NaCl (la energía de red) requiere 788 kJ / mol:

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

Al formar la red se invierte el signo en la entalpía, entonces ΔH = -788 kJ por mol. Entonces, aunque se necesitan 147 kJ / mol para formar los iones, mucho más La energía es liberada por la formación de la red. El cambio neto de entalpía es -641 kJ / mol. Por lo tanto, la formación del enlace iónico es exotérmica. La energía reticular también explica por qué los compuestos iónicos tienden a tener puntos de fusión extremadamente altos..

Los iones poliatómicos forman enlaces de la misma manera. La diferencia es que considera el grupo de átomos que forma ese catión y anión en lugar de cada átomo individual.