Enlace iónico y Born-Haber
Cuando echan sal en las calles de Minnesota o Michigan en invierno, no están usando "moléculas de NaCl" sueltas: es una red tridimensional infinita de iones $\mathrm{Na^+}$ y $\mathrm{Cl^-}$ empaquetados por atracción electrostática. Esa red es tan estable que medir cuánta energía hace falta para separarla en iones gaseosos exige un rodeo termodinámico ingenioso: el ciclo de Born-Haber.
Un cristal iónico no es una molécula
El cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$, cristaliza formando una estructura tridimensional de tipo sal gema (dos subredes iónicas interpenetradas), mientras que el cloruro…
El cloruro de sodio, $\mathrm{NaCl}$, cristaliza formando una estructura tridimensional de tipo sal gema (dos subredes iónicas interpenetradas), mientras que el cloruro de hidrógeno, $\mathrm{HCl}$, forma moléculas diatómicas discretas en fase gas a temperatura ambiente. Justifica con base en el tipo de enlace y la estructura por qué no tiene sentido físico hablar de «molécula de $\mathrm{NaCl}$» en estado sólido, indicando cómo se define la fórmula empírica de dicho compuesto iónico.
Energía reticular (lattice energy): carga y radio iónico
El $\mathrm{NaCl}$ funde a $801\,^\circ\text{C}$, el $\mathrm{NaF}$ a $996\,^\circ\text{C}$ y el $\mathrm{MgO}$ a $2852\,^\circ\text{C}$: ¿qué magnitudes microscópicas provocan que separar los iones de un cristal requiera tanta más energía que en otro similar?
Energía potencial frente a distancia internuclear
Cuando dos iones de signo contrario se acercan, la energía potencial baja por la atracción de Coulomb. Si se acercan demasiado, la repulsión entre sus nubes electrónicas y entre núcleos la hace subir muy rápido. El mínimo de la curva marca la distancia de equilibrio (la longitud de enlace, bond length) y su profundidad es la energía de enlace (bond energy): cuánta energía hay que aportar para separar los dos iones. Ojo: esta curva describe un solo par de iones, no la energía reticular (lattice energy) del cristal completo.
Considera los haluros de litio $\mathrm{LiF}$ y $\mathrm{LiI}$. Ambos compuestos cristalizan con la misma geometría de red iónica (tipo $\mathrm{NaCl}$). Sabiendo que…
Considera los haluros de litio $\mathrm{LiF}$ y $\mathrm{LiI}$. Ambos compuestos cristalizan con la misma geometría de red iónica (tipo $\mathrm{NaCl}$). Sabiendo que los radios iónicos son $r(\mathrm{F^-}) = 133\,\mathrm{pm}$ y $r(\mathrm{I^-}) = 220\,\mathrm{pm}$, y considerando la ecuación de Born-Landé o la ley de Coulomb para la energía reticular (tomada aquí como el proceso exotérmico de formación de la red a partir de los iones gaseosos, $\Delta H_{\mathrm{ret}} < 0$): a) Deduce razonadamente cuál de los dos sólidos presenta una entalpía reticular de mayor valor absoluto $(|\Delta H_{\mathrm{ret}}|)$. b) Justifica cuál de los dos compuestos tendrá mayor temperatura de fusión.
El bromuro de potasio, $\mathrm{KBr(s)}$, se disocia completamente en sus iones gaseosos según el proceso endotérmico:…
El bromuro de potasio, $\mathrm{KBr(s)}$, se disocia completamente en sus iones gaseosos según el proceso endotérmico: $\mathrm{KBr(s)} \to \mathrm{K^+(g)} + \mathrm{Br^-(g)}$. Para este proceso, la entalpía reticular de disociación es $\Delta H_{\mathrm{ret,dis}} = +689\,\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$. Determina la entalpía reticular de formación estándar de la red, $\Delta H_{\mathrm{ret}}$, correspondiente a la reacción: $\mathrm{K^+(g)} + \mathrm{Br^-(g)} \to \mathrm{KBr(s)}$, y explica brevemente el significado del signo termodinámico obtenido.
Se comparan los compuestos iónicos fluoruro de magnesio, $\mathrm{MgF_2}$, y fluoruro de calcio, $\mathrm{CaF_2}$. Ambos presentan una proporción de cargas catión/anión…
Se comparan los compuestos iónicos fluoruro de magnesio, $\mathrm{MgF_2}$, y fluoruro de calcio, $\mathrm{CaF_2}$. Ambos presentan una proporción de cargas catión/anión idéntica (+2/-1). Datos de radios iónicos: $r(\mathrm{Mg^{2+}}) = 72\,\mathrm{pm}$, $r(\mathrm{Ca^{2+}}) = 100\,\mathrm{pm}$, y $r(\mathrm{F^-}) = 133\,\mathrm{pm}$. Experimentalmente, los módulos de las entalpías reticulares de formación $(\Delta H_{\mathrm{ret}} < 0)$ para ambos sólidos son $\approx 2957\,\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$ y $\approx 2630\,\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$. a) Asigna razonadamente cada valor de entalpía reticular a su compuesto correspondiente empleando argumentos de atracción electrostática. b) Si se compara ahora el $\mathrm{MgF_2}$ con el óxido de magnesio, $\mathrm{MgO}$ (donde $r(\mathrm{O^{2-}}) = 140\,\mathrm{pm}$ y su $|\Delta H_{\mathrm{ret}}|$ es aproximadamente $3791\,\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$), explica el papel de la mayor carga del anión óxido en la atracción electrostática. Indica por qué una comparación cuantitativa rigurosa exige considerar además la estequiometría y la estructura de las redes.
El ciclo de Born-Haber
Podemos medir con facilidad en el laboratorio la entalpía de formación de la sal o la ionización del sodio, pero ningún aparato puede evaporar un cristal sólido directamente en iones gaseosos aislados: ¿cómo calcular una energía que es imposible medir de forma directa?
Aplicaciones del ciclo: iones con más de una carga
Carácter covalente parcial: las reglas de Fajans
Vuelve al principio: Deshacer la red de un mol de sal de mesa en iones gaseosos exige aportar $+787\,\text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, una energía inmensa que demuestra por qué el $\mathrm{NaCl}$ forma un sólido cristalino muy estable y no moléculas libres.