Varför bildningen av joniska föreningar är exotermisk

Har du någonsin undrat varför bildningen av joniska föreningar är exoterm? Det snabba svaret är att den resulterande joniska föreningen är mer stabil än jonerna som bildade den. Den extra energin från jonerna frigörs som värme när joniska bindningar bildas. När mer värme frigörs från en reaktion än vad som krävs för att den ska ske är reaktionen exoterm.

Förstå energin i jonisk limning

Det bildas joniska bindningar mellan två atomer med en stor elektronegativitetsskillnad mellan varandra. Vanligtvis är detta en reaktion mellan metaller och icke-metaller. Atomerna är så reaktiva eftersom de inte har fullständiga valenselektronskal. I denna typ av bindning doneras en elektron från en atom väsentligen till den andra atomen för att fylla dess valenselektronskal. Atomen som "tappar" sin elektron i bindningen blir mer stabil eftersom donering av elektron ger antingen ett fyllt eller halvfyllt valensskal. Den initiala instabiliteten är så stor för alkalimetaller och jordalkalier att det krävs lite energi för att ta bort den yttre elektronen (eller 2 för de alkaliska jordarna) för att bilda katjoner. Halogenerna å andra sidan accepterar lätt elektronerna för att bilda anjoner. Medan anjonerna är mer stabila än atomerna, är det ännu bättre om de två typerna av element kan samlas för att lösa sina energiproblem. Det är här jonbindning sker.

För att verkligen förstå vad som händer, överväga bildandet av natriumklorid (bordsalt) från natrium och klor. Om du tar natriummetall och klorgas bildas salt i en spektakulär exoterm reaktion (som i, prova inte det här hemma). Den balanserade joniska kemiska ekvationen är:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl existerar som ett kristallgitter av natrium- och klorjoner, där extraelektronen från en natriumatom fyller i "hålet" som behövs för att komplettera en kloratoms yttre elektronskal. Nu har varje atom en komplett oktett av elektroner. Ur energisynpunkt är detta en mycket stabil konfiguration. Om du undersöker reaktionen närmare kan du bli förvirrad eftersom:

Förlusten av en elektron från ett element är alltid endotermisk (eftersom energi behövs för att ta bort elektron från atomen.

Na → Na⁺ + 1 e^- ^ H = 496 kJ / mol

Medan en elektronförstärkning av en icke-metal vanligtvis är exotermisk (energi frigörs när den icke-metallen får en full oktett).

Cl + 1 e^- → Cl^- ^ H = -349 kJ / mol

Så om du helt enkelt gör matematiken kan du se att bilda NaCl från natrium och klor faktiskt kräver tillsats av 147 kJ / mol för att förvandla atomerna till reaktiva joner. Ändå vet vi att från att observera reaktionen frigörs nettenergi. Vad händer?

Svaret är att den extra energin som gör reaktionen exotermisk är gitterenergin. Skillnaden i den elektriska laddningen mellan natrium- och klorjonerna gör att de lockas till varandra och rör sig mot varandra. Så småningom bildar de motsatt laddade jonerna en jonisk bindning med varandra. Det mest stabila arrangemanget av alla joner är ett kristallgitter. För att bryta NaCl-gittret (gitterenergin) krävs 788 kJ / mol:

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

Formning av gitteret vänder skylten på entalpin, så ΔH = -788 kJ per mol. Så även om det tar 147 kJ / mol för att bilda jonerna, mycket mer energi frigörs genom bildning av gitter. Förändringen i nettoentalpin är -641 kJ / mol. Således är bildningen av den joniska bindningen exoterm. Gitterenergi förklarar också varför joniska föreningar tenderar att ha extremt höga smältpunkter.

Polyatomiska joner bildar bindningar på ungefär samma sätt. Skillnaden är att du betraktar gruppen atomer som bildar den katjonen och anjonen snarare än varje enskild atom.