Hvorfor dannelsen af ​​ioniske forbindelser er eksoterm

Har du nogensinde spekuleret på, hvorfor dannelsen af ​​ioniske forbindelser er eksoterm? Det hurtige svar er, at det resulterende ionisk forbindelse er mere stabil end ioner, der dannede den. Den ekstra energi fra ionerne frigøres som varme når ioniske bindinger form. Når mere varme frigøres fra en reaktion, end det er nødvendigt for at det skal ske, reaktionen er exotherm.

Ioniske bindinger dannes mellem to atomer med en stor elektronegativitetsforskel mellem hinanden. Dette er typisk en reaktion mellem metaller og ikke-metaller. Atomerne er så reaktive, fordi de ikke har komplette valenselektronskaller. I denne type binding doneres en elektron fra et atom i det væsentlige til det andet atom for at udfylde dens valenselektronskal. Atomet, der "mister" sit elektron i bindingen, bliver mere stabilt, fordi doneringen af ​​elektronet resulterer i enten et fyldt eller halvfyldt valensskal. Den oprindelige ustabilitet er så stor for alkalimetaller og jordalkalier, at der kræves lidt energi til at fjerne den ydre elektron (eller 2 for de alkaliske jordarter) for at danne kationer. Halogenerne på den anden side accepterer let elektronerne til dannelse af anioner. Mens anionerne er mere stabile end atomerne, er det endnu bedre, hvis de to typer elementer kan mødes for at løse deres energiproblem. Det er her

For virkelig at forstå, hvad der foregår, skal du overveje dannelsen af ​​natriumchlorid (bordsalt) fra natrium og klor. Hvis du tager natriummetal og klorgas, dannes salt i en spektakulær eksoterm reaktion (som i, prøv ikke dette hjemme). Det afbalanceret ionisk kemisk ligning er:

2 Na (r) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl findes som en krystalgitter af natrium- og klorioner, hvor den ekstra elektron fra et natriumatom udfylder det "hul", der er nødvendigt for at fuldføre et kloratomers ydre elektronskal. Nu har hvert atom en komplet oktet af elektroner. Fra energisynspunkt er dette en yderst stabil konfiguration. Undersøger reaktionen nærmere, kan du blive forvirret, fordi:

Tabet af et elektron fra et element er altid endoterm (fordi energi er nødvendig for at fjerne elektronet fra atomet.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Mens forøgelsen af ​​et elektron ved en ikke-metal normalt er eksoterm (energi frigives, når den ikke-metale får en fuld octet).

Cl + 1 e^- → Cl^- 1H = -349 kJ / mol

Så hvis du simpelthen laver matematikken, kan du se, at der dannes NaCl ud fra natrium og klor, faktisk kræver tilsætning af 147 kJ / mol for at omdanne atomerne til reaktive ioner. Alligevel ved vi, at man observerer reaktionen, at der frigøres nettoenergi. Hvad sker der?

Svaret er, at den ekstra energi, der gør reaktionen eksoterm, er gitterenergien. Forskellen i den elektriske ladning mellem natrium- og klorionerne får dem til at blive tiltrukket af hinanden og bevæge sig mod hinanden. Til sidst danner de modsat ladede ioner en ionbinding med hinanden. Det mest stabile arrangement af alle ioner er en krystalgitter. For at bryde NaCl-gitteret (gitterenergien) kræver 788 kJ / mol:

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

Dannelse af gitteret vender tegnet på entalpien, så ΔH = -788 kJ pr. Mol. Så selvom det tager 147 kJ / mol for at danne ionerne, meget mere energi frigives ved dannelse af gitter. Den netto entalpi ændring er -641 kJ / mol. Dannelsen af ​​den ioniske binding er således eksoterm. Gitterenergi forklarer også, hvorfor ioniske forbindelser har en tendens til at have ekstremt høje smeltepunkter.

Polyatomiske ioner danner bindinger på omtrent samme måde. Forskellen er, at du overvejer gruppen af ​​atomer, der danner kation og anion, snarere end hvert enkelt atom.