Energetics of Ionic Bond Formation

Ionic bonds are formed when positively and negatively charged ions are held together by electrostatic forces. Considere um único par de íons, um cátion e um ânion. Quão forte será a força da atracção deles? De acordo com a Lei de Coulomb, a energia de atração eletrostática (\(E\), entre duas partículas carregadas é proporcional à magnitude das cargas e inversamente proporcional à distância internuclear entre as partículas (\(r\)):

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, onde cada íon de carga é representada pelo símbolo P. A constante de proporcionalidade k é igual a 2,31 × 10-28 J·m. Este valor de k inclui a carga de um único elétron (1.6022 × 10-19 C) para cada íon. A equação também pode ser escrita usando a carga de cada íon, expressa em coulombs (c), incorporada na constante. Neste caso, a constante de proporcionalidade, k, é igual a 8.999 × 109 J * m / C2. No exemplo dado, Q1 = + 1(1.6022 × 10-19 C) e Q2 = -1 (1.6022 × 10-19 c). Se Q1 e Q2 têm sinais opostos (como em NaCl, por exemplo, onde Q1 é +1 para Na+ e Q2 é -1 para Cl−), então E é negativa, o que significa que a energia é liberada quando oposta carregadas íons são reunidos a partir de uma distância infinita para formar um isolado ion par.

a energia é sempre liberada quando uma ligação é formada e correspondentemente, ela sempre requer energia para quebrar uma ligação.

conforme mostrado pela curva verde na metade inferior da figura \(\PageIndex{1}\), a energia máxima seria liberada quando os íons estão infinitamente próximos um do outro, em r = 0. Porque os íons ocupam espaço e têm uma estrutura com o núcleo Positivo sendo cercado por elétrons, no entanto, eles não podem estar infinitamente próximos um do outro. A distâncias muito curtas, as interações elétron-elétron repulsivas entre elétrons em íons adjacentes tornam-se mais fortes do que as interações atrativas entre íons com cargas opostas, como mostrado pela curva vermelha na metade superior da figura \(\PageIndex{1}\). A energia total do sistema é um equilíbrio entre as interações atrativas e repulsivas. A curva roxa na figura \(\PageIndex{1}\) mostra que a energia total do sistema atinge um mínimo de r0, o ponto onde as repulsões e atrações eletrostáticas são exatamente equilibradas. Esta distância é a mesma que a distância de ligação medida experimentalmente.

considere a energia liberada quando um íon gasoso \(na^+\) e um íon gasoso \(Cl^ -\) são reunidos de r = ∞ A r = r0. Dado que o observado em fase gasosa de distância internuclear é 236 pm, a mudança de energia associada com a formação de um íon par de um \(Na^+_{(g)}\) íon e um \(Cl^-_{(g)}\) íon é como segue:

\ &= (2.31 \times {10^{ – 28}}\rm{J}\cdot \ ‘cancelar’ {m} ) \left( \dfrac{( + 1)( – 1)}{236\; \cancelar{pm} \times 10^{ – 12} \cancelar{m/pm}} \right) \\ &= – 9.79 \ times 10^ {- 19}\; J / ion\; pair \label{Eq2} \end{align*}\]

O valor negativo indica que a energia é libertada. A nossa convenção é que, se um processo químico fornece energia ao mundo exterior, a mudança Energética é negativa. Se requer energia, a mudança de energia é positiva. Para calcular a mudança de energia na formação de um mole de pares de NaCl, precisamos multiplicar a energia por par de íons pelo número de Avogadro. :

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Esta é a energia libertada quando 1 mol de pares de iões gasosos é formado, não quando 1 mol de iões positivos e negativos condensa para formar uma estrutura cristalina. Devido a interações de longo alcance na estrutura da estrutura da rede, esta energia não corresponde diretamente à energia da estrutura da rede do sólido cristalino. No entanto, o grande valor negativo indica que juntar íons positivos e negativos é energeticamente muito favorável, se um par de íons ou uma estrutura cristalina é formada.

nós resumimos os pontos importantes sobre ligação iónica:

• em r0, os íons são mais estáveis (têm uma energia potencial menor) do que a uma distância internuclear infinita. Quando íons opostos carregados são reunidos de R = ∞ A r = r0, a energia do sistema é reduzida (a energia é liberada).devido à baixa energia potencial em r0, a energia deve ser adicionada ao sistema para separar os íons. A quantidade de energia necessária é a energia de ligação.a energia do sistema atinge um mínimo a uma determinada distância internuclear (a distância de ligação).