Forza del legame ionico: energia reticolare

La forza del legame ionico, dovuto all’attrazione elettrostatica tra ioni di segno opposto, dipende dalla carica e dalla dimensione degli ioni. 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.

La forza del legame ionico tende a diminuire man mano che i due ioni sono separati. Questa diminuzione è proporzionale al quadrato della distanza tra gli ioni.

Energia reticolare

L’energia reticolare di un solido ionico è l’energia  liberata nel processo di formazione del reticolo cristallino solido a partire dagli ioni isolati allo stato gassoso.

Per il solido ionico MX l’energia reticolare è data dalla variazione di entalpia reticolare relativa al processo:
MX_(s) → Mⁿ⁺_(g) + X^n-_(g)

Un valore elevato di energia reticolare è correlato a un composto ionico molto stabile e quindi a una elevata forza del legame ionico. Ad esempio, nel caso del cloruro di sodio ΔH_ret = 769 kJ. Ciò implica che sono necessari 769 kJ per separare una mole di NaCl allo stato solido negli ioni Na⁺ e Cl^– allo stato gassoso

Forza di Coulomb

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.

Secondo la legge di Coulomb
F = k q₁q₂/d²

Dove k è una costante di proporzionalità, q₁ e q₂ sono i valori delle due cariche e d è la loro distanza. Nel caso di un legame ionico costituito da ioni di carica opposta questa forza è di tipo attrattivo.

L’energia reticolare ΔH_ret può essere espressa dalla seguente equazione che è un’applicazione della legge di Coulomb:
ΔH_ret = C(Z⁺)(Z^–)/R_o  (1)

in cui:

• C è una costante che dipende dal tipo di struttura cristallina
• Z + e Z – sono le cariche degli ioni
• R_o è la distanza tra i due ioni data dalla somma del raggio ionico del catione e dell’anione

Pertanto, l’energia reticolare di un cristallo ionico aumenta quando le cariche degli ioni aumentano e le dimensioni degli ioni diminuiscono.

Esempio

Prevedere in quale di questi composti Al₂O₃ e Al₂Se₃ la forza del legame ionico è maggiore

Entrambi presentano lo stesso ione Al³⁺ e quindi per entrambi la carica Z^– è la stessa. Inoltre nel primo caso è presente O^2- e nel secondo Se^2- quindi anche Z^– è la stessa.

La diversa forza di legame è quindi dovuta solo a R_o. Ossigeno e selenio appartengono entrambi al gruppo 16 della Tavola Periodica. Poiché il raggio ionico aumenta dall’alto verso il basso lungo un gruppo lo ione Se^2- ha un raggio ionico maggiore e quindi R_o è maggiore. Dalla (1) si ha che ΔH_ret è inversamente proporzionale a R_o quindi Al₂O₃ ha una maggiore forza del legame ionico