Warum die Bildung ionischer Verbindungen exotherm ist

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Bildung ionischer Verbindungen exotherm ist? Die schnelle Antwort ist, dass das Ergebnis ionische Verbindung ist stabiler als die Ionen, die es gebildet haben. Die zusätzliche Energie aus den Ionen wird als Wärme freigesetzt, wenn ionische Bindungen bilden. Wenn mehr Hitze Wird aus einer Reaktion freigesetzt, als dies erforderlich ist, ist die Reaktion exotherm.

Ionenbindungen bilden sich zwischen zwei Atomen mit a großer Elektronegativitätsunterschied zwischen einander. Typischerweise ist dies eine Reaktion zwischen Metallen und Nichtmetallen. Die Atome sind so reaktiv, weil sie keine vollständigen Valenzelektronenschalen haben. Bei dieser Art von Bindung wird ein Elektron von einem Atom im Wesentlichen an das andere Atom abgegeben, um seine Valenzelektronenhülle zu füllen. Das Atom, das sein Elektron in der Bindung "verliert", wird stabiler, weil die Abgabe des Elektrons entweder zu einer gefüllten oder einer halb gefüllten Valenzschale führt. Die anfängliche Instabilität ist für die Alkalimetalle und Erdalkalien so groß, dass wenig Energie erforderlich ist, um das äußere Elektron (oder 2 für die Erdalkalien) zur Bildung von Kationen zu entfernen. Andererseits nehmen die Halogene die Elektronen leicht auf, um Anionen zu bilden. Während die Anionen stabiler als die Atome sind, ist es noch besser, wenn die beiden Arten von Elementen zusammenkommen können, um ihr Energieproblem zu lösen. Das ist wo

Um wirklich zu verstehen, was los ist, sollten Sie die Bildung von Natriumchlorid (Speisesalz) aus Natrium und Chlor in Betracht ziehen. Wenn Sie Natriummetall und Chlorgas einnehmen, bildet sich Salz in einer spektakulär exothermen Reaktion (wie in, versuchen Sie dies nicht zu Hause). Das ausgeglichene ionische chemische Gleichung ist:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

NaCl existiert als Kristallgitter aus Natrium- und Chlorionen, wobei das zusätzliche Elektron eines Natriumatoms das "Loch" ausfüllt, das zur Vervollständigung der äußeren Elektronenhülle eines Chloratoms erforderlich ist. Jetzt hat jedes Atom ein vollständiges Oktett von Elektronen. Aus energetischer Sicht ist dies eine sehr stabile Konfiguration. Wenn Sie die Reaktion genauer untersuchen, werden Sie möglicherweise verwirrt, weil:

Der Verlust eines Elektrons aus einem Element ist immer endothermisch (weil Energie benötigt wird, um das Elektron aus dem Atom zu entfernen.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Während die Verstärkung eines Elektrons durch ein Nichtmetall normalerweise exotherm ist (Energie wird freigesetzt, wenn das Nichtmetall ein volles Oktett gewinnt).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Wenn Sie also einfach rechnen, können Sie sehen, dass die Bildung von NaCl aus Natrium und Chlor tatsächlich die Zugabe von 147 kJ / mol erfordert, um die Atome in reaktive Ionen umzuwandeln. Aus der Beobachtung der Reaktion wissen wir jedoch, dass Nettoenergie freigesetzt wird. Was ist los?

Die Antwort ist, dass die zusätzliche Energie, die die Reaktion exotherm macht, die Gitterenergie ist. Der Unterschied in der elektrischen Ladung zwischen den Natrium- und Chlorionen bewirkt, dass sie sich gegenseitig anziehen und aufeinander zu bewegen. Schließlich bilden die entgegengesetzt geladenen Ionen eine Ionenbindung miteinander. Die stabilste Anordnung aller Ionen ist ein Kristallgitter. Um das NaCl-Gitter (die Gitterenergie) zu brechen, sind 788 kJ / mol erforderlich:

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

Die Bildung des Gitters kehrt das Vorzeichen auf der Enthalpie um, so dass ΔH = -788 kJ pro Mol ist. Also, obwohl es 147 kJ / mol braucht, um die Ionen zu bilden, viel mehr Energie wird durch Gitterbildung freigesetzt. Die Nettoenthalpieänderung beträgt -641 kJ / mol. Somit ist die Bildung der Ionenbindung exotherm. Die Gitterenergie erklärt auch, warum ionische Verbindungen dazu neigen, extrem hohe Schmelzpunkte zu haben.

Mehratomige Ionen bilden auf die gleiche Weise Bindungen. Der Unterschied besteht darin, dass Sie die Gruppe von Atomen betrachten, die dieses Kation und Anion bildet, und nicht jedes einzelne Atom.