Kodėl joninių junginių formavimasis yra egzoterminis

Ar kada susimąstėte, kodėl joninių junginių susidarymas yra egzoterminis? Greitas atsakymas yra tas, kad rezultatas joninis junginys yra stabilesnis už jonus, kurie jį formavo. Papildoma energija iš jonų išsiskiria kaip šiluma, kai joninės jungtys forma. Kai daugiau šiluma yra išlaisvinamas iš reakcijos, nei reikia, kad ji įvyktų, reakcija yra egzoterminė.

Joniniai ryšiai susidaro tarp dviejų atomų su didelis elektronegatyvumo skirtumas tarpusavyje. Paprastai tai yra metalų ir nemetalų reakcija. Atomai yra tokie reaktyvūs, nes neturi pilnų valentinių elektronų apvalkalų. Tokio tipo jungtyje elektronas iš vieno atomo iš esmės yra paaukotas kitam atomui, kad užpildytų jo valentinį elektronų apvalkalą. Atomas, kuris „praranda“ savo elektroną ryšyje, tampa stabilesnis, nes, paaukojus elektroną, atsiranda arba užpildytas, arba pusiau užpildytas valentinis apvalkalas. Pradinis šarminių metalų ir šarminių žemių nestabilumas yra toks didelis, kad išoriniam elektronui (arba 2 šarminiams žemėms) pašalinti katijonams reikia mažai energijos. Kita vertus, halogenai lengvai priima elektronus, sudarydami anijonus. Nors anijonai yra stabilesni už atomus, dar geriau, jei abiejų tipų elementai gali susilieti, kad išspręstų jų energetinę problemą. Štai kur

Norėdami iš tikrųjų suprasti, kas vyksta, apsvarstykite, ar iš natrio ir chloro gali susidaryti natrio chloridas (stalo druska). Jei vartojate natrio metalą ir chloro dujas, druskos susidaro įspūdingai egzoterminė reakcija (kaip ir nemėginkite to namuose). subalansuota joninė cheminė lygtis yra:

2 Na (-ų) + Cl₂ (g) → 2 NaCl

NaCl egzistuoja kaip natrio ir chloro jonų kristalinė gardelė, kur papildomas elektronas iš natrio atomo užpildo „skylę“, reikalingą chloro atomo išoriniam elektronų apvalkalui užpildyti. Dabar kiekvienas atomas turi pilną elektronų oktetą. Energijos požiūriu tai labai stabili konfigūracija. Atidžiau ištyrę reakciją, galite susipainioti, nes:

Elemento praradimas nuo elemento visada yra endoterminė (nes energija reikalinga elektronui pašalinti iš atomo.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Nors nemetalo elektrono padidėjimas paprastai yra egzoterminis (energija išsiskiria, kai nemetalas įgyja visą oktetą).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Taigi, jei paprasčiausiai atliksite matematiką, matysite, kad iš natrio susidaro NaCl ir chloras, norint atomus paversti reaktyviniais jonais, reikia pridėti 147 kJ / mol. Tačiau stebėdami reakciją žinome, kad išsiskiria grynoji energija. Kas vyksta?

Atsakymas yra tas, kad papildoma energija, dėl kurios reakcija tampa egzoterminė, yra grotelių energija. Dėl elektrinio krūvio skirtumo tarp natrio ir chloro jonų jie traukiasi vienas prie kito ir juda vienas kito link. Galų gale priešingai įkrauti jonai sudaro jonų ryšį vienas su kitu. Stabiliausias visų jonų išdėstymas yra kristalinė gardelė. Norint sulaužyti NaCl gardelę (gardelės energiją), reikia 788 kJ / mol:

NaCl (-iai) → Na⁺ + Kl^- ΔH_grotelės = +788 kJ / mol

Formuodami gardelę, entalpija pasikeičia ženklu, taigi ΔH = -788 kJ vienam moliui. Taigi, nors jonams susidaryti reikia 147 kJ / mol, daug daugiau energija išsiskiria susidarant grotelėms. Grynasis entalpijos pokytis yra –641 kJ / mol. Taigi joninės jungties formavimasis yra egzoterminis. Tinklelio energija taip pat paaiškina, kodėl joniniai junginiai turi ypač aukštą lydymosi temperatūrą.

Poliaatominiai jonai jungtis formuoja panašiai. Skirtumas tas, kad jūs manote, kad atomų grupė, kuri sudaro tą katijoną ir anijoną, o ne kiekvienas atskiras atomas.