Hvorfor dannelsen av ioniske forbindelser er eksoterm

Har du noen gang lurt på hvorfor dannelsen av ioniske forbindelser er eksoterm? Det raske svaret er at det resulterende ionisk forbindelse er mer stabil enn ionene som dannet den. Den ekstra energien fra ionene frigjøres som varme når ioniske bindinger danne. Når mer varme løslates fra en reaksjon enn det som er nødvendig for at det skal skje, er reaksjonen eksotermisk.

Ioniske bindinger dannes mellom to atomer med a stor elektronegativitetsforskjell mellom hverandre. Vanligvis er dette en reaksjon mellom metaller og ikke-metaller. Atomene er så reaktive fordi de ikke har fullstendige elektronskall. I denne typen binding blir et elektron fra et atom i det vesentlig gitt til det andre atomet for å fylle valenselektronskallet. Atomet som "mister" sitt elektron i bindingen blir mer stabilt fordi det å donere elektronet resulterer i enten et fylt eller halvfylt valensskall. Den opprinnelige ustabiliteten er så stor for alkalimetallene og jordalkaliene at det kreves lite energi for å fjerne det ytre elektronet (eller 2 for de alkaliske jordene) for å danne kationer. Halogenene på sin side aksepterer lett elektronene for å danne anioner. Mens anionene er mer stabile enn atomene, er det enda bedre om de to elementtypene kan komme sammen for å løse energiproblemet deres. Dette er hvor

For å virkelig forstå hva som skjer, bør du vurdere dannelse av natriumklorid (bordsalt) fra natrium og klor. Hvis du tar natriummetall og klorgass, dannes salt i en spektakulær eksoterm reaksjon (som i, ikke prøv dette hjemme). De balansert ionisk kjemisk ligning er:

2 Na (r) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl eksisterer som et krystallgitter av natrium- og klorioner, der ekstraelektronet fra et natriumatom fyller inn "hullet" som trengs for å fullføre et kloratomers ytre elektronskall. Nå har hvert atom en komplett oktett med elektroner. Fra energisynspunkt er dette en veldig stabil konfigurasjon. Hvis du undersøker reaksjonen nærmere, kan du bli forvirret fordi:

Tapet av et elektron fra et element er alltid endoterm (fordi energi er nødvendig for å fjerne elektronet fra atomet.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Mens gevinsten av et elektron ved et ikke-metall vanligvis er eksotermisk (energi frigjøres når det ikke-metallet får en full oktett).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Så hvis du bare gjør matematikken, kan du se dannelse av NaCl fra natrium og klor faktisk krever tilsetning av 147 kJ / mol for å gjøre atomene til reaktive ioner. Likevel vet vi at fra å observere reaksjonen frigjøres nettoenergi. Hva skjer?

Svaret er at den ekstra energien som gjør reaksjonen eksoterm, er gitterenergien. Forskjellen i den elektriske ladningen mellom natrium- og klorionene får dem til å bli tiltrukket av hverandre og bevege seg mot hverandre. Etter hvert danner de motsatt ladede ionene en ionebinding med hverandre. Det mest stabile arrangementet av alle ionene er et krystallgitter. For å bryte NaCl-gitteret (gitterenergien) krever 788 kJ / mol:

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

Dannelse av gitteret reverserer skiltet på entalpien, så ΔH = -788 kJ per mol. Så selv om det tar 147 kJ / mol å danne ionene, mye mer energi frigjøres ved dannelse av gitter. Netto entalpiendring er -641 kJ / mol. Dermed er dannelsen av den ioniske bindingen eksoterm. Gitterenergi forklarer også hvorfor ioniske forbindelser har en tendens til å ha ekstremt høye smeltepunkter.

Polyatomiske ioner danner bindinger på omtrent samme måte. Forskjellen er at du vurderer gruppen av atomer som danner kation og anion i stedet for hvert enkelt atom.