Miksi ionisten yhdisteiden muodostuminen on eksotermistä

Oletko koskaan miettinyt, miksi ionisten yhdisteiden muodostuminen on eksotermistä? Nopea vastaus on, että tuloksena ioninen yhdiste on vakaampi kuin sen muodostaneet ionit. Ylimääräinen energia ioneista vapautuu lämmönä, kun ioniset sidokset muodostavat. Kun enemmän lämpö vapautuu reaktiosta kuin mitä tarvitaan sen tapahtumiseen, reaktio on eksoterminen.

Ionisidokset muodostuvat kahden atomin välillä a: lla suuri elektronegatiivisuusero toistensa välillä. Tyypillisesti tämä on reaktio metallien ja ei-metallien välillä. Atomit ovat niin reaktiivisia, koska niissä ei ole täydellisiä valenssielektronikuoria. Tämän tyyppisessä sidoksessa yhdestä atomista tuleva elektroni luovutetaan olennaisesti toiselle atomille sen valenssielektronikuoren täyttämiseksi. Atomista, joka "menettää" elektroninsa sidoksessa, tulee vakaampaa, koska elektronin luovuttaminen johtaa joko täytettyyn tai puoliksi täytettyyn valenssikuoreen. Alkuperäinen epävakaus on alkalimetallien ja maa-alkalimetallien suhteen niin suuri, että ulkoisen elektronin (tai 2, alkalimetallien) poistamiseksi kationien muodostamiseksi tarvitaan vähän energiaa. Halogeenit puolestaan ​​hyväksyvät elektronit helposti anionien muodostamiseksi. Vaikka anionit ovat vakaampia kuin atomit, on vielä parempaa, jos nämä kaksi tyyppiä olevat elementit pääsevät yhteen ratkaisemaan energiaongelmansa. Täällä

Jotta ymmärrät oikein mitä tapahtuu, harkitse natriumkloridin (ruokasuolan) muodostumista natriumista ja kloorista. Jos otat natriummetallia ja kloorikaasua, suolaa muodostuu näyttävästi eksotermisessä reaktiossa (kuten kohdassa, älä kokeile tätä kotona). tasapainoinen ioninen kemiallinen yhtälö On:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (a)

NaCl esiintyy natrium- ja kloori-ionien kidehilana, jossa natriumatomin ylimääräinen elektroni täyttää "reiän", joka tarvitaan klooriatomin ulkoisen elektronikuoren täydentämiseen. Nyt jokaisessa atomissa on täydellinen elektronien oktettti. Energian kannalta tämä on erittäin vakaa kokoonpano. Kun tutkit reaktiota tarkemmin, saatat hämmentyä, koska:

Elektronin menetykset elementistä ovat aina endoterminen (koska tarvitaan energiaa elektronin poistamiseksi atomista.

Na → Na⁺ + 1 e^- AH = 496 kJ / mol

Vaikka ei-metallin suorittama elektronin vahvis- tus on yleensä eksoterminen (energia vapautuu, kun ei-metaali saa täyden oktetin).

Cl + 1 e^- → Cl^- AH = -349 kJ / mol

Joten jos teet vain matematiikan, voit nähdä, että NaCl: n muodostuminen natriumista ja kloorista vaatii todella 147 kJ / mol lisäyksen atomien muuttamiseksi reaktiivisiksi ioneiksi. Silti tiedämme reaktion tarkkailemalla, että nettoenergia vapautuu. Mitä tapahtuu?

Vastaus on, että ylimääräinen energia, joka tekee reaktiosta eksotermisen, on hilaenergia. Natrium- ja kloori-ionien sähkövarauksen ero saa ne vetämään toisiaan ja liikkumaan toisiaan kohti. Lopulta vastakkaisesti varautuneet ionit muodostavat ionisen sidoksen toistensa kanssa. Kaikkien ionien vakain järjestely on kidehila. NaCl-hilan (hilan energia) murtamiseksi tarvitaan 788 kJ / mol:

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

Hilan muodostaminen kääntää entalpian merkin, joten ΔH = -788 kJ moolia kohti. Joten vaikka ionien muodostaminen vie 147 kJ / mol, paljon enemmän energia vapautuu hilan muodostuessa. Netto entalpian muutos on -641 kJ / mol. Siksi ionisen sidoksen muodostuminen on eksoterminen. Hilan energia selittää myös sen, miksi ioniyhdisteillä on yleensä erittäin korkeat sulamispisteet.

Polyatomiset ionit muodostavat sidoksia suurin piirtein samalla tavalla. Ero on siinä, että otat huomioon atomiryhmän, joka muodostaa kyseisen kationin ja anionin, eikä kunkin yksittäisen atomin.