Ciclos de Born-Haber: cálculo de la entalpía de celosía

Entalpía de celosía

Antes de entrar en la discusión de este término, necesitamos saber qué es una celosía. En ciencia, cuando decimos rejilla, normalmente nos referimos a una rejilla cristalina. Ahora, automáticamente, nos viene a la mente una pregunta: ¿qué es una red de cristal? Un cristal es una sustancia muy transparente con una forma geométrica regular. La disposición tridimensional de átomos o iones (átomos cargados) en un patrón sistemático dentro de un cristal da lugar a una red cristalina. Por ejemplo, si decimos “red cristalina de cloruro de sodio”, nos referimos a un patrón geométrico regular de iones de sodio y cloruro dispuestos alternativamente de manera sistemática.

Estructura tridimensional de una red cristalina de cloruro de sodio

Cualquier red cristalina puede formarse a partir de sus iones constituyentes o puede descomponerse en sus iones constituyentes; la energía involucrada en el proceso se llama energía reticular o entalpía reticular .

Discusión sobre la entalpía de celosía

La entalpía de celosía suele aplicarse a compuestos iónicos, que son compuestos de metales y no metales. Los valores de entalpía de celosía (H) generalmente se representan en kilojulios (KJ).

Si queremos preparar una red cristalina de cloruro de sodio, la entalpía de la red de cloruro de sodio será la energía necesaria para formar cristales sólidos de cloruro de sodio a partir de iones de sodio y cloruro gaseosos. La formación de un cristal sólido generalmente libera una gran cantidad de energía al medio ambiente; por tanto, el proceso es exotérmico. Los procesos exotérmicos tienen valores de entalpía (H) negativos.

El proceso de fabricación de una red cristalina implica una serie de pasos, desde los iones gaseosos hasta el cristal sólido, que se explica claramente en el famoso ciclo de Born-Haber.

Ciclo de Born-Haber

El ciclo de Born-Haber representa una serie de pasos que conducen a la formación de un compuesto iónico a partir de sus iones gaseosos constituyentes. Nos ayuda a calcular la entalpía reticular de un compuesto iónico. El ciclo de Born-Haber trata con compuestos iónicos solo donde los metales tienden a formar cationes , que son iones cargados positivamente, y los no metales forman aniones , que están cargados negativamente.

Analicemos la formación del compuesto iónico más simple y familiar, cloruro de sodio, o sal de mesa, a partir de sus elementos constituyentes en sus estados estándar. Por estados estándar, nos referimos a los estados en los que ocurren en la naturaleza. Entonces, comenzaremos con el metal de sodio sólido y la molécula de cloro gaseoso.

Ciclo de Born Haber del cloruro de sodio

Como puede ver en el diagrama adjunto, el primer paso implica la formación de sodio metálico gaseoso a partir de sodio metálico sólido. Esto se denomina energía de sublimación del sodio y se representa por Hsub. Este paso es endotérmico , con una energía de sublimación del sodio de +108 KJ. El segundo paso es la formación de un átomo de cloro a partir de una molécula de cloro diatómico (compuesta por dos átomos) mediante el método de disociación representado por Hdiss. Este paso también es endotérmico con la energía de disociación del enlace de la molécula de cloro diatómico de +122 KJ.

El tercer paso es la ionización del átomo de sodio gaseoso para formar un ión de sodio, que es básicamente el proceso de eliminar un electrón del sodio metálico. El cambio de energía en el proceso se denomina energía de ionización (IE) del sodio y se representa como IE. Este paso es endotérmico , con la energía de ionización del sodio de +496 KJ.

El cuarto paso es la adición de un electrón a un átomo de cloro gaseoso, que se define como la afinidad electrónica (EA) del cloro y está representado por EA. Este paso es exotérmico , siendo el EA del cloro -349 KJ. Entonces, del tercer y cuarto paso obtenemos iones de sodio y cloruro.

Ahora, el paso final es formar cristales de cloruro de sodio a partir de iones de sodio y cloruro.

Si observa el diagrama con atención, verá que el único componente que falta en el diagrama es la energía de la red (U), cuyo valor se le proporcionará para calcular la entalpía de la red o H. Aquí, U de NaCl es – 788 KJ. Ahora hagamos los cálculos para averiguar la entalpía de celosía.

Hf = Hsub (Na) + IE (Na) + Hdiss (Cl2) + EA (Cl) + U

= (+108 + 496 + 122-349-788) KJ

= – 411 KJ

Las matemáticas muestran claramente que la entalpía de la red del cloruro de sodio es -411 KJ, lo que significa que la formación de la red cristalina del cloruro de sodio es altamente exotérmica.

Entonces, siempre que construya un ciclo de Born-Haber para un compuesto iónico, debe comenzar desde los átomos gaseosos constituyentes en el estado en que se encuentran en la naturaleza. Luego, a través de los procesos de sublimación, disociación, ionización, afinidad electrónica, etc., tienes que construir el ciclo. El ciclo de Born-Haber para cada compuesto iónico es único; no existe una fórmula general que pueda memorizarse.

El valor de entalpía de celosía obtenido del ciclo de Born-Haber es el valor experimental pero también es posible calcular el valor teórico . A veces se observa que existe una diferencia significativa entre estos dos valores. Como ya se mencionó, el ciclo de Born-Haber es aplicable a compuestos iónicos; cualquier desviación del valor experimental de la entalpía reticular sugiere que el compuesto ya no es 100% iónico y que ha entrado algún carácter covalente en la molécula. Cuanto más cercana sea la concordancia (menor diferencia porcentual) entre los valores experimentales y teóricos, mayor será el carácter iónico.

Resumen de la lección

La energía de celosía o entalpía de celosía es el cambio de energía involucrado en la formación de un compuesto iónico a partir de sus iones gaseosos constituyentes y está representado por H. Los valores de entalpía de celosía se representan en kilojulios (KJ), y el proceso suele ser exotérmico . El ciclo de Born-Haber nos ayuda a calcular la entalpía de celosía de los compuestos iónicos . El ciclo incluye procesos como disociación e ionización para formar cationes , y también incluye procesos como disociación y afinidades electrónicas para formar aniones.. Finalmente, con la ayuda del valor de la energía reticular (U), podemos calcular la entalpía reticular (H) de un compuesto iónico. Una diferencia significativa entre los valores de entalpía de celosía experimental y teórica explica la introducción del carácter covalente en un compuesto.