Pourquoi la formation de composés ioniques est exothermique

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi la formation de composés ioniques est exothermique? La réponse rapide est que le composé ionique résultant est plus stable que les ions qui l'ont formé. L'énergie supplémentaire des ions est libérée sous forme de chaleur lorsque des liaisons ioniques se forment. Lorsqu'une réaction dégage plus de chaleur qu'il n'en faut pour qu'elle se produise, la réaction est exothermique.

Comprendre l'énergie de la liaison ionique

Des liaisons ioniques se forment entre deux atomes avec une grande différence d'électronégativité entre elles. Il s'agit généralement d'une réaction entre des métaux et des non-métaux. Les atomes sont si réactifs parce qu'ils n'ont pas de coquilles d'électrons de valence complètes. Dans ce type de liaison, un électron d'un atome est essentiellement donné à l'autre atome pour remplir sa coquille d'électrons de valence. L'atome qui "perd" son électron dans la liaison devient plus stable parce que le don de l'électron entraîne une coquille de valence remplie ou à moitié remplie. L'instabilité initiale est si grande pour les métaux alcalins et les alcalino-terreux qu'il faut peu d'énergie pour retirer l'électron extérieur (ou 2, pour les alcalino-terreux) pour former des cations. Les halogènes, d'autre part, acceptent facilement les électrons pour former des anions. Bien que les anions soient plus stables que les atomes, c'est encore mieux si les deux types d'éléments peuvent se réunir pour résoudre leur problème d'énergie. C'est là que la liaison ionique se produit.

Pour vraiment comprendre ce qui se passe, pensez à la formation de chlorure de sodium (sel de table) à partir du sodium et du chlore. Si vous prenez du sodium métallique et du chlore gazeux, le sel se forme dans une réaction exothermique spectaculaire (comme dans, n'essayez pas cela à la maison). L'équation chimique ionique équilibrée est:

2 Na (s) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (s)

Le NaCl existe sous la forme d'un réseau cristallin d'ions sodium et chlore, où l'électron supplémentaire d'un atome de sodium remplit le "trou" nécessaire pour compléter la coque électronique externe d'un atome de chlore. Maintenant, chaque atome a un octet d'électrons complet. D'un point de vue énergétique, il s'agit d'une configuration très stable. En examinant la réaction de plus près, vous pourriez être confus parce que:

La perte d'un électron d'un élément est toujours endothermique (parce que l'énergie est nécessaire pour retirer l'électron de l'atome.

Na → Na⁺ + 1 e^- ΔH = 496 kJ / mol

Alors que le gain d'un électron par un non-métal est généralement exothermique (l'énergie est libérée lorsque le non-métal gagne un octet complet).

Cl + 1 e^- → Cl^- ΔH = -349 kJ / mol

Donc, si vous faites simplement le calcul, vous pouvez voir que la formation de NaCl à partir du sodium et du chlore nécessite en fait l'ajout de 147 kJ / mol afin de transformer les atomes en ions réactifs. Pourtant, nous savons qu'en observant la réaction, l'énergie nette est libérée. Que ce passe-t-il?

La réponse est que l'énergie supplémentaire qui rend la réaction exothermique est l'énergie du réseau. La différence de charge électrique entre les ions sodium et chlore les amène à s’attirer et à se rapprocher. Finalement, les ions de charge opposée forment une liaison ionique entre eux. L'arrangement le plus stable de tous les ions est un réseau cristallin. Pour briser le réseau NaCl (l'énergie du réseau) nécessite 788 kJ / mol:

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

La formation du réseau inverse le signe sur l'enthalpie, donc ΔH = -788 kJ par mole. Donc, même s'il faut 147 kJ / mol pour former les ions, beaucoup plus l'énergie est libérée par la formation d'un réseau. Le changement net d'enthalpie est de -641 kJ / mol. Ainsi, la formation de la liaison ionique est exothermique. L'énergie du réseau explique également pourquoi les composés ioniques ont tendance à avoir des points de fusion extrêmement élevés.

Les ions polyatomiques forment des liaisons de la même manière. La différence est que vous considérez le groupe d'atomes qui forme ce cation et cet anion plutôt que chaque atome individuel.