Dlaczego tworzenie związków jonowych jest egzotermiczne

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego tworzenie związków jonowych jest egzotermiczne? Szybka odpowiedź jest następująca związek jonowy jest bardziej stabilny niż jony, które go utworzyły. Dodatkowa energia z jonów jest uwalniana jako ciepło, kiedy wiązania jonowe Formularz. Kiedy więcej ciepło jest uwalniany z reakcji, niż jest to potrzebne do zajścia, reakcja jest egzotermiczny.

Wiązania jonowe tworzą się między dwoma atomami z a duża różnica elektroujemności między sobą. Zazwyczaj jest to reakcja metali i niemetali. Atomy są tak reaktywne, ponieważ nie mają kompletnych powłok walencyjnych elektronów. W tego typu wiązaniu elektron z jednego atomu jest zasadniczo przekazywany do drugiego atomu w celu wypełnienia jego powłoki walencyjnej elektronu. Atom, który „traci” swój elektron w wiązaniu, staje się bardziej stabilny, ponieważ przekazanie elektronu powoduje powstanie wypełnionej lub do połowy wypełnionej powłoki walencyjnej. Początkowa niestabilność jest tak wielka dla metali alkalicznych i ziem alkalicznych, że potrzeba niewielkiej energii do usunięcia zewnętrznego elektronu (lub 2, dla ziem alkalicznych) w celu utworzenia kationów. Z drugiej strony halogeny chętnie przyjmują elektrony tworząc aniony. Chociaż aniony są bardziej stabilne niż atomy, jeszcze lepiej jest, jeśli dwa rodzaje pierwiastków mogą się połączyć, aby rozwiązać problem energetyczny. To gdzie

Aby naprawdę zrozumieć, co się dzieje, rozważ utworzenie chlorku sodu (soli kuchennej) z sodu i chloru. Jeśli weźmiesz sodowy metal i gazowy chlor, sól tworzy się w spektakularnie egzotermicznej reakcji (jak w, nie próbuj tego w domu). The zrównoważone jonowe równanie chemiczne jest:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl istnieje jako sieć krystaliczna jonów sodu i chloru, w której dodatkowy elektron z atomu sodu wypełnia „dziurę” potrzebną do skompletowania zewnętrznej powłoki elektronowej atomu chloru. Teraz każdy atom ma pełny oktet elektronów. Z punktu widzenia energii jest to bardzo stabilna konfiguracja. Przy bliższym badaniu reakcji możesz się pomylić, ponieważ:

Utrata elektronu z elementu jest zawsze endotermiczny (ponieważ energia jest potrzebna do usunięcia elektronu z atomu.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Podczas gdy zysk elektronu przez niemetal jest zwykle egzotermiczny (energia jest uwalniana, gdy niemetal zyskuje pełny oktet).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Jeśli więc po prostu wykonasz matematykę, zobaczysz, że tworzenie NaCl z sodu i chloru wymaga dodatku 147 kJ / mol, aby zamienić atomy w reaktywne jony. Jednak z obserwacji reakcji wiemy, że energia netto jest uwalniana. Co się dzieje?

Odpowiedź jest taka, że ​​dodatkowa energia, która powoduje, że reakcja jest egzotermiczna, to energia sieci. Różnica ładunku elektrycznego między jonami sodu i jonów chloru powoduje, że przyciągają się one do siebie i zbliżają do siebie. W końcu przeciwnie naładowane jony tworzą ze sobą wiązanie jonowe. Najbardziej stabilnym układem wszystkich jonów jest sieć krystaliczna. Aby rozbić sieć NaCl (energia sieci) wymaga 788 kJ / mol:

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

Formowanie sieci odwraca znak na entalpii, więc ΔH = -788 kJ na mol. Tak więc, mimo że do wytworzenia jonów potrzeba 147 kJ / mol, wiele więcej energia jest uwalniana przez tworzenie sieci. Zmiana entalpii netto wynosi -641 kJ / mol. Zatem tworzenie wiązania jonowego jest egzotermiczne. Energia kratowa wyjaśnia również, dlaczego związki jonowe mają zwykle bardzo wysokie temperatury topnienia.

Jony wieloatomowe tworzą wiązania w bardzo podobny sposób. Różnica polega na tym, że bierze się pod uwagę grupę atomów, która tworzy ten kation i anion, a nie każdy pojedynczy atom.