Enlace iónico. Apuntes de 2º Bachillerato.

Uno de los tres tipos de enlaces que se producen entre los distintos elementos de la tabla periódica es el enlace iónico. En este tema estudiaremos:

Concepto de enlace iónico.

¿Qué es un enlace iónico?

Se llama enlace iónico a la unión que se produce entre un elemento metálico y un elemento no metálico. Al unirse dos elementos en un compuesto iónico se forma una red o cristal. Los cristales iónicos son series enlazadas de elementos metálicos y no metálicos. La fórmula resultante de obtener un enlace iónico, al ser un cristal, nos denota la relación existente entre los elementos. Por ejemplo para el $NaCl$ hay un cloro por cada sodio, pero para el $CaF_2$ hay dos flúor por cada calcio.

¿Cómo se produce un enlace iónico?

El enlace iónico se produce por la GRAN diferencia de electronegatividad entre los elementos que lo producen. El elemento metálico pierde electrones, quedándose con carga positiva, y el elemento no metálico acepta electrones, quedándose con carga negativa. Esto hace que se atraigan mutuamente debido a la atracción electrostática entre estos iones formando un enlace entre ellos.

Cuando se produce un enlace iónico aparece una energía llamada energía reticular o energía de red. Esta energía se define como la energía requerida para separar un mol de enlaces iónicos en una sustancia iónica en su estado gaseoso. Esta energía reticular se define también como la energía necesaria para enlazar iones ya formados de la La energía reticular se puede obtener aplicando la ley de Hess en el ciclo de Born-Haber, pero existe una fórmula con la que obtenerla llamada ecuación de Born-Landé.

$E_r=\dfrac{-z^-z^+q_e^2N_AA}{R}\left(1-\dfrac{1}{n}\right)$

En esta ecuación $z^-$ es la carga del ion no metálico que forma el compuesto (si el ión fuera el $O^{2-}$ $z^-=2$ ), $z^+$ es la carga del ion metálico, $q_e$ es la carga del electrón en valor absoluto, $N_A$ es el número de Avogadro, $A$ es la constante de Madelung y $n$ es el coeficiente de compresibilidad. Esta ecuación es muy compleja y por lo tanto se suele utilizar el ciclo de Born-Haber que resulta mucho más sencillo.

Ciclo de Born-Haber.

El ciclo de Born-Haber es un conjunto de reacciones que utilizando la ley de Hess sirve para obtener la energía reticular. Este proceso muestra todas las energías implicadas en la formación de un enlace iónico. Para explicar el ciclo de Born-Haber de una forma general utilizo la letra $\chi$ para el elemento metálico y la letra $\Upsilon$ para el elemento no metálico.

En el ciclo de Born-Haber para la reacción

$\chi(s)+\Upsilon_2(g)\longrightarrow \chi_n\Upsilon_m(g)$

se siguen los siguientes pasos.

Sublimación.

Es necesario que los átomos que formen el enlace se encuentren en estado gaseoso, pero la mayoría de compuestos metálicos se encuentran en estado sólido a temperatura ambiente. Se define la sublimación como el proceso de pasar del estado sólido al estado gaseoso. Interviene la energía de sublimación $E_s$ .

$\chi(s)+E_s\longrightarrow \chi(g)$

Disociación.

Los elementos no metálicos suelen encontrarse en moléculas diatómicas gaseosas a temperatura ambiente, por lo que para formar el cristal deben separarse. La disociación es el proceso de separación de una molécula gaseosa diatómica en dos átomos. Interviene la energía de disociación $E_d$ .

$\Upsilon_2(g)+E_d\longrightarrow 2\Upsilon(g)$

Ionización 1.

Después de separar la molécula en dos átomos se le añade los electrones necesarios para que adquiera la configuración electrónica más estable. En este proceso el átomo libera energía. Esta energía es la afinidad electrónica $AE$ y tiene siempre valor negativo. En el caso de necesitar un mayor número de electrones se repite el proceso pero el valor de la afinidad electrónica cambia.

$\Upsilon(g)\longrightarrow \Upsilon^-(g)+AE$

Ionización 2.

Al átomo del elemento metálico se le extraen los electrones necesarios para que tenga la configuración electrónica más estable. Para arrancar un electrón de un átomo se necesita un aporte energético. La energía que interviene se denomina energía de ionización. Si el átomo metálico necesita más de un electrón para llegar a la configuración electrónica más estable se repite la reacción hasta obtenerla aportando al átomo la segunda o tercera energía de ionización.

$\chi(g)+EI\longrightarrow\chi^+(g)$

Aproximación.

Una vez superado todo este proceso, los átomos se acercan para enlazarse gracias a la atracción electrostática. Este último paso requiere el aporte de una energía que coincide con la energía reticular o de red.

$\Upsilon^-(g)+\chi^+(g)\longrightarrow \chi\Upsilon(s)+E_r$

La suma de todas estas energías es la energía de la reacción al completo.

$\Delta H_f=E_s+E_d+EI+AE+E_r$

De esta ecuación podemos despejar la energía reticular $E_r$ .

$E_r=\Delta H_f-E_s-E_d-EI-AE$

Signo de las energías implicadas en el ciclo de Born-Haber.

Energía de sublimación $\longrightarrow$ positiva. En la sublimación se produce un aumento de la energía, debido a que un gas tiene una mayor energía que un sólido o un líquido.

Energía de disociación $\longrightarrow$ positiva. En la disociación se produce un aumento de la energía porque para romper el enlace hay que aportar energía.

Energía de ionización $\longrightarrow$ positiva. En la ionización hay un aumento de la energía porque para arrancar un electrón de un átomo hay que aportar energía.

Afinidad electrónica $\longrightarrow$ negativa. Al añadir un electrón a un átomo se libera energía, por lo que la energía disminuye.

Energía reticular o de red $\longrightarrow$ negativa. Cuando dos cargas se atraen, se libera energía si se acercan, por lo que disminuye la energía.

Energía total $\longrightarrow$ negativa. Si la energía total fuera positiva significaría que hay que aportar energía para formar el cristal, por lo que el cristal no se formaría. Recuerda que los átomos se unen porque son más estables juntos que por separado y la estabilidad implica una menor energía.

Ejercicio resuelto del ciclo de Born-Haber (fácil).

Obtenga la energía reticular para para la formación del cloruro de sodio $NaCl$ .

$Na(s)+Cl_2(g)\longrightarrow NaCl (s)$

Datos: La energía de sublimación del sodio es 108 kJ/mol y su primera energía de ionización es 496 kJ/mol. La energía de disociación del cloro gas es 240 kJ/mol y su afinidad electrónica es −349kJ/mol. La entalpía de formación del cloruro de sodio sólido es −411 kJ/mol.

Solución

Sublimación.

$Na(s)+E_s\longrightarrow Na(g)$