Zakaj je tvorba jonskih spojin eksotermična

Ste se že kdaj vprašali, zakaj je tvorba ionskih spojin eksotermična? Hiter odgovor je, da je nastalo ionska spojina je bolj stabilen od ionov, ki so ga tvorili. Dodatna energija iz ionov se sprošča kot toplota, kadar ionske vezi oblika. Ko več toplota se sprosti iz reakcije, kot je potrebno, da se zgodi, reakcija je eksotermična.

Ionske vezi tvorijo med dvema atomoma z a velika razlika v elektronegativnosti med seboj. Običajno gre za reakcijo med kovinami in nemetali. Atomi so tako reaktivni, ker nimajo popolnih valenčnih elektronskih lupin. Pri tej vrsti vezi je elektron iz enega atoma v bistvu podarjen drugemu atomu, da zapolni svojo valenčno elektronsko lupino. Atom, ki "izgubi" svoj elektron v vezi, postane bolj stabilen, ker darovanje elektrona povzroči bodisi napolnjeno ali napol napolnjeno valenčno lupino. Začetna nestabilnost je za alkalne kovine in alkalne zemlje tako velika, da je za odstranitev zunanjega elektrona (ali 2, za alkalne zemlje) potrebno malo energije, da nastanejo kationi. Po drugi strani halogeni elektrone zlahka sprejmejo elektrone in tvorijo anione. Medtem ko so anioni stabilnejši od atomov, je še bolje, če se lahko dve vrsti elementov združita in rešita svoj energetski problem. Tukaj je

Če želite zares razumeti, kaj se dogaja, razmislite o tvorbi natrijevega klorida (namizne soli) iz natrija in klora. Če vzamete plin iz natrijeve kovine in klora, nastane sol v spektakularni eksotermični reakciji (kot pri nas, tega ne poskusite doma). The uravnotežena ionska kemijska enačba je:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl

NaCl obstaja kot kristalna rešetka natrijevih in klorovih ionov, kjer dodatni elektron iz natrijevega atoma napolni "luknjo", potrebno za dokončanje zunanje elektronske lupine atoma klora. Zdaj ima vsak atom celoten oktet elektronov. Z energijskega stališča je to zelo stabilna konfiguracija. Če natančneje preučite reakcijo, se boste morda zmedli, ker:

Izguba elektrona iz elementa je vedno endotermični (ker je potrebna energija za odstranitev elektrona iz atoma.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Medtem ko je dobiček elektrona s strani nemetala običajno eksotermičen (energija se sprosti, ko nemetal pridobi polni oktet).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Če torej preprosto opravite matematiko, lahko vidite, da tvorba NaCl iz natrija in klora dejansko zahteva dodajanje 147 kJ / mol, da se atomi pretvorijo v reaktivne ione. Kljub temu pa vemo, da opazujemo reakcijo, se sprošča čista energija. Kaj se dogaja?

Odgovor je, da je dodatna energija, zaradi katere je reakcija eksotermična, energija rešetke. Razlika v električnem naboju med natrijevimi in klorovimi ioni povzroči, da se med seboj privlačijo in premikajo drug proti drugemu. Sčasoma nasprotno nabiti ioni med seboj tvorijo ionsko vez. Najbolj stabilna razporeditev vseh ionov je kristalna rešetka. Za prekinitev rešetke NaCl (energija rešetke) je potrebnih 788 kJ / mol:

NaCl → Na⁺ + Cl^- ΔH_mreža = +788 kJ / mol

Oblikovanje rešetke obrne znak na entalpijo, zato je ΔH = -788 kJ na mol. Čeprav je za tvorbo ionov potrebnih 147 kJ / mol, veliko več energija se sprošča s tvorbo rešetke. Sprememba neto entalpije je -641 kJ / mol. Tako je nastanek ionske vezi eksotermičen. Energija rešetk pojasnjuje tudi, zakaj imajo ionske spojine izjemno visoke tališča.

Poliatomski ioni na enak način tvorijo vezi. Razlika je v tem, da upoštevate skupino atomov, ki tvorita ta kation in anion in ne vsak posamezen atom.