Energia reticolare

Nei solidi ionici ioni positivi e ioni negativi si trovano sui nodi del reticolo cristallino; tali ioni sono uniti assieme da intense forze di tipo coulombiano e formano dei cristalli.

I solidi ionici hanno struttura complessa in quanto sono costituiti da ioni che hanno raggi ionici diversi ed inoltre se da un lato è presente un’attrazione tra ioni di carica opposta dall’altro è presente una repulsione tra ioni aventi la stessa carica.

Tutti i solidi ionici formano cristalli in cui gli ioni sono tenuti insieme in un reticolo cristallino in cui  ioni di carica opposta hanno una disposizione alternata. Il fattore che determina la forza di questi cristalli è chiamato energia reticolare. Quando l’energia reticolare aumenta, la forza e la stabilità del reticolo cristallino aumenta.

L’energia reticolare è un tipo di energia potenziale che può essere definita in due modi. Nella prima definizione l’energia reticolare   è la quantità di energia necessaria per separare una mole di cristallo nei suoi ioni allo stato gassoso:

MaLb (s) a Mb+(g) + b La-(g)

Secondo questa definizione quindi l’energia reticolare è sempre positiva in quanto affinché il solido ionico possa essere separato è necessaria energia ed infatti questa è sempre una reazione di tipo endotermico.

Nella seconda definizione l’energia reticolare è relativa al processo inverso:

a Mb+(g) + b La-(g)MaLb (s)

e quindi l’energia reticolare è l’energia emessa quando ioni, allo stato gassoso, si legano per dare un solido ionico. Tale processo è sempre esotermico e quindi il valore dell’energia reticolare è negativo.

L’energia reticolare,  che viene usata come riferimento per spiegare la stabilità dei solidi ionici, è spesso espressa in kJ/mol non può essere determinata in modo diretto ma viene ottenuta grazie a un ciclo termodinamico detto ciclo di Born-Haber.

La valutazione quantitativa dell’energia reticolare di un cristallo ionico è ottenuta dalle interazioni coulombiane tra tutti gli ioni presenti ovvero tra le forze di attrazione di ioni di segno opposto e le forze di repulsione  dovute alla compenetrazione delle nubi elettroniche.

L’energia potenziale tra ioni di segno opposto che rappresenta la forza di attrazione è inversamente proporzionale alla loro distanza r:
PE(attrazione)  = Z1Z2 e2/r

dove Z1 e Z2 sono le cariche degli ioni

L’energia di repulsione è inversamente proporzionale alla n-esima potenza della distanza r tra gli ioni:
PE(repulsione)  = be2/rn

dove e è la carica dell’elettrone, n è detto esponente di Born e b è il coefficiente di repulsione.

L’energia potenziale totale è data dall’equazione detta equazione di Born:

PE = PE(attrazione)  + PE(repulsione)  = Z1Z2 e2/r + be2/rn

La forza del legame tra ioni di segno opposto è maggiore quando gli ioni hanno un piccolo raggio ionico.

Si può affermare che:

  • quando i raggi ionici del catione e dell’anione aumentano l’energia reticolare diminuisce
  • i solidi ionici costituiti da ioni bivalenti hanno un’energia reticolare maggiore rispetto a quella dei solidi costituiti da ioni monovalenti.

Vengono riportate alcune energie reticolari di alcuni solidi ionici che confermano quanto detto:

 

Composto Nome Carica di ogni ione Energia reticolare (kJ/mol)
NaCl Cloruro di sodio +1, -1 787.5
NaBr Bromuro di sodio +1, -1 751.4
CaF2 Fluoruro di calcio +2, -1 2634.7
MgO Ossido di magnesio +2, +2 3760

 

Essendo positivo il valore dell’energia reticolare  è stata adottata la prima definizione.

All’aumentare del valore dell’energia reticolare aumenta la forza del legame; confrontiamo le energie reticolari di NaCl e di NaBr che hanno in comune lo stesso catione Na+: poiché lo ione Br ha un raggio ionico maggiore rispetto allo ione Cl l’energia reticolare di NaCl è maggiore rispetto a quella di NaBr,

Quando l’energia reticolare aumenta diventa difficile separare gli ioni presenti nel reticolo cristallino che ne determina la stabilità. Quindi i solidi ionici non passano allo stato gassoso a temperatura ambiente e fondono ad alte temperature.

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Author: Chimicamo

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