Tendencias en Energía de Celosía: Tamaño y Carga Iónica

Un compuesto iónico es estable debido a la atracción electrostática entre sus iones positivos y negativos. La energía reticular de un compuesto es una medida de la fuerza de esta atracción. La energía de celosía (ΔH_reticular) de un compuesto iónico se define como la energía requerida para separar un mol de un sólido en los iones gaseosos que lo componen. Para el ion sólido cloruro de sodio, la energía reticular es el cambio de entalpía del proceso:

Convenciones

Aquí, la convención se usa donde el sólido iónico se separa en iones, significando que las energías de celosía serán endotérmicas (valores positivos). Otra manera es usar una convención equivalente pero opuesta, en donde la energía reticular es exotérmica (valores negativos) y es descrita como la energía liberada cuando los iones se combinan para formar una red. Por lo tanto, asegúrese de confirmar qué definición se usa cuando busque energías reticulares en otra referencia. En ambos casos, una magnitud mayor para la energía de celosía indica un compuesto iónico más estable. Para el cloruro sódico, ΔH_reticular = 769 kJ. Por lo tanto, se requieren 769 kJ para separar un mol de NaCl sólido en los iones gaseosos Na⁺ y Cl^–. Cuando un mol de iones gaseosos Na⁺ y Cl^– forman NaCl sólido, se liberan 769 kJ de calor.

Ley de Coulomb y Energía Reticular

La energía de celosía ΔH_reticular de un cristal iónico puede expresarse mediante la siguiente ecuación (derivada de la ley de Coulomb, que rige las fuerzas entre cargas eléctricas): 

ΔH_reticular = C(Z⁺)(Z⁻)/R_o 

En la que C es una constante que depende del tipo de estructura cristalina; Z⁺ y Z^– son las cargas sobre los iones, y R_o es la distancia interiónica (la suma de los radios de los iones positivos y negativos). Así, la energía de celosía de un cristal iónico aumenta rápidamente a medida que las cargas de los iones aumentan y los tamaños de los iones disminuyen. Cuando todos los demás parámetros se mantienen constantes, al doblar la carga tanto del catión como del anión se cuadruplica la energía reticular. 

Ejemplos

1. La energía de celosía de CsF (Z⁺ y Z^– = 1) es de 1023 kJ/mol, mientras que la de MgO (Z⁺ y Z^– = 2) es de 3900 kJ/mol (R_o es casi igual, aproximadamente 200 pm para ambos compuestos).
2. Las diferentes distancias interatómicas producen diferentes energías reticulares. Por ejemplo, compare la energía de celosía de MgF₂ (2957 kJ/mol) con la de MgI₂ (2327 kJ/mol) para observar el efecto sobre la energía reticular del tamaño iónico más pequeño del F^– en comparación con I^–.
3. El gema preciosa rubí es el óxido de aluminio, Al₂O₃, que contiene trazas de Cr³⁺. El compuesto Al₂Se₃ se utiliza en la fabricación de algunos dispositivos semiconductores. En estos dos compuestos iónicos, las cargas Z⁺ y Z^– son las mismas, por lo que la diferencia en la energía reticular depende de R_o. Dado que el ion O<sub2^– es más pequeño que el ion Se₂^–, el ion Al₂O₃ tiene una distancia interiónica más corta que el Al₂Se₃ y, por lo tanto, tiene mayor energía reticular.
4. Otro ejemplo es el óxido de zinc, ZnO, comparado con el NaCl. ZnO tiene una mayor energía de celosía porque los valores Z tanto del catión como del anión en ZnO son mayores, y la distancia interiónica del ZnO es menor que la del NaCl.

Este texto es adaptado deOpenstax, Química 2e, Sección 7.5: Fortalezas de los Enlaces Iónicos y Covalentes.