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 het resultaat is Ionische verbinding is stabieler dan de ionen die het hebben gevormd. De extra energie van de ionen komt vrij als warmte wanneer Ionische bindingen het formulier. Wanneer meer warmte wordt vrijgelaten uit een reactie dan nodig is om het te laten gebeuren, is de reactie exotherm.

Ionische bindingen vormen tussen twee atomen met een groot elektronegativiteitsverschil tussen elkaar. Dit is meestal een reactie tussen metalen en niet-metalen. De atomen zijn zo reactief omdat ze geen volledige valentie-elektronenschillen hebben. Bij dit type binding wordt een elektron van het ene atoom in wezen gedoneerd aan het andere atoom om de valentie-elektronenschil te vullen. Het atoom dat zijn elektron "verliest" in de binding wordt stabieler omdat het doneren van het elektron resulteert in een gevulde of halfgevulde valentieschil. De aanvankelijke instabiliteit is zo groot voor de alkalimetalen en 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 samen kunnen komen om hun energieprobleem op te lossen. Dit is waar

Om echt te begrijpen wat er aan de hand is, overweeg dan de vorming van natriumchloride (tafelzout) uit natrium en chloor. Als je natriummetaal en chloorgas neemt, vormt zout een spectaculair exotherme reactie (zoals in, probeer dit niet thuis). De gebalanceerde 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. Elk atoom heeft nu een compleet octet van elektronen. Vanuit energetisch oogpunt is dit een zeer stabiele configuratie. Als u de reactie nader bekijkt, kunt u in de war raken omdat:

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

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Terwijl de versterking van een elektron door een niet-metaal gewoonlijk exotherm is (energie komt vrij wanneer de niet-metaal een volledig octet krijgt).

Cl + 1 e^- → Kl^- ΔH = -349 kJ / mol

Dus als je gewoon de wiskunde doet, kun je zien dat het vormen van NaCl uit natrium en chloor eigenlijk de toevoeging van 147 kJ / mol vereist om de atomen in reactieve ionen te veranderen. Toch weten we door het observeren van de reactie dat er netto energie vrijkomt. 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 door elkaar worden aangetrokken 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 nodig:

NaCl (s) → Na⁺ + Cl^- ΔH_rooster = +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 komt vrij door roostervorming. De netto enthalpie-verandering is -641 kJ / mol. De vorming van de ionische binding is dus exotherm. Rooster-energie verklaart ook waarom ionische verbindingen de neiging hebben extreem hoge smeltpunten te hebben.

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