Waarom de vorming van ionische verbindingen exotherm is

Heb je je ooit afgevraagd waarom de vorming van ionische verbindingen exotherm is? Het snelle antwoord is dat de resulterende ionische verbinding stabieler is dan de ionen die deze hebben gevormd. De extra energie van de ionen komt vrij als warmte wanneer ionische bindingen worden gevormd. Wanneer bij een reactie meer warmte vrijkomt dan nodig is, is de reactie exotherm.

Begrijp de energie van Ionische binding

Ionische bindingen vormen zich tussen twee atomen met een groot elektronegativiteitsverschil tussen elkaar. Meestal is dit een reactie tussen metalen en niet-metalen. De atomen zijn zo reactief omdat ze geen volledige valentie-elektronenschillen hebben. In dit type binding wordt een elektron van het ene atoom in wezen aan het andere atoom geschonken om zijn valentie-elektronenmantel te vullen. Het atoom dat zijn elektron in de binding "verliest" wordt stabieler omdat het doneren van het elektron resulteert in een gevulde of halfgevulde valentieschil. De initiële instabiliteit is zo groot voor de alkalimetalen en de aardalkalimetalen dat er weinig energie nodig is om het buitenste elektron (of 2, voor de aardalkalimetalen) te verwijderen om kationen te vormen. De halogenen daarentegen accepteren de elektronen gemakkelijk om anionen te vormen. Hoewel de anionen stabieler zijn dan de atomen, is het nog beter als de twee soorten elementen samenkomen om hun energieprobleem op te lossen. Dit is waar ionische binding optreedt.

Overweeg de vorming van natriumchloride (keukenzout) uit natrium en chloor om echt te begrijpen wat er aan de hand is. Als u natriummetaal en chloorgas neemt, vormt zout zich in een spectaculair exotherme reactie (zoals in, probeer dit niet thuis). De evenwichtige ionische chemische vergelijking is:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl bestaat als een kristalrooster van natrium- en chloorionen, waarbij het extra elektron van een natriumatoom het "gat" opvult dat nodig is om de buitenste elektronenschil van een chlooratoom te voltooien. Nu heeft elk atoom een ​​compleet octet van elektronen. Vanuit energetisch oogpunt is dit een zeer stabiele configuratie. Als u de reactie nader onderzoekt, kunt u in de war raken omdat:

Het verlies van een elektron uit een element is altijd endotherme (omdat energie nodig is om het elektron uit het atoom te verwijderen.

Na → Na⁺ + 1 e^- Ah = 496 kJ / mol

Terwijl de winst van een elektron door een niet-metaal meestal exotherm is (energie wordt vrijgegeven wanneer het niet-metaal een volledige octet bereikt).

Cl + 1 e^- → Cl^- Ah = -349 kJ / mol

Dus, als je gewoon de wiskunde uitvoert, kun je zien dat NaCl uit natrium en chloor wordt gevormd eigenlijk de toevoeging van 147 kJ / mol vereist om de atomen in reactieve ionen te veranderen. Maar we weten dat door het observeren van de reactie, netto energie wordt vrijgegeven. Wat is er gaande?

Het antwoord is dat de extra energie die de reactie exotherm maakt, de roosterenergie is. Het verschil in de elektrische lading tussen de natrium- en chloorionen zorgt ervoor dat ze zich tot elkaar aangetrokken voelen en naar elkaar toe bewegen. Uiteindelijk vormen de tegengesteld geladen ionen een ionische binding met elkaar. De meest stabiele opstelling van alle ionen is een kristalrooster. Om het NaCl-rooster te breken (de rooster-energie) is 788 kJ / mol vereist:

NaCl (s) → Na⁺ + cl^- AH_traliewerk = +788 kJ / mol

Het vormen van het rooster keert het teken op de enthalpie om, dus ΔH = -788 kJ per mol. Dus, hoewel er 147 kJ / mol nodig is om de ionen te vormen, veel meer energie wordt vrijgegeven door roostervorming. De netto enthalpie-verandering is -641 kJ / mol. Aldus is de vorming van de ionische binding exotherm. Rooster-energie verklaart ook waarom ionische verbindingen de neiging hebben extreem hoge smeltpunten te hebben.

Polyatomische ionen vormen bindingen op vrijwel dezelfde manier. Het verschil is dat je de groep atomen beschouwt die dat kation en anion vormt in plaats van elk individueel atoom.