Forza dei legami ionici e covalenti - Chimica introduttiva

OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO
Forza di legame: Legami Covalenti
ESEMPIO
Forza del legame ionico ed energia del reticolo
ESEMPIO
PASSI CHIAVE
FINE CAPITOLO ESERCIZI
Note
Glossario
I

OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO

Descrivere l’energia di formazione e rottura dei legami covalenti e ionici formazione e rottura
Utilizzare le energie medie dei legami covalenti per stimare le entalpie di reazione

La forza di un legame descrive quanto fortemente ogni atomo è unito ad un altro atomo, e quindi quanta energia è richiesta per rompere il legame tra i due atomi.

È essenziale ricordare che è necessario aggiungere energia per rompere i legami chimici (un processo endotermico), mentre formare legami chimici rilascia energia (un processo esotermico). Nel caso di $\testo{H}_2$ , il legame covalente è molto forte; una grande quantità di energia, 436 kJ, deve essere aggiunta per rompere i legami in una mole di molecole di idrogeno e causare la separazione degli atomi:

$\testo{H}_2 (g) \longrightarrow \testo{2H} (g) \ \ \ \ \ \ \ \ \ \text \ energia di legame = 436 kJ}$

Inversamente, la stessa quantità di energia viene rilasciata quando una mole di $\testo{H}_2$ molecole si forma da due moli di atomi H:

$\testo{2H} (g) \longrightarrow \testo{H}_2(g) \testo{H}_2(g) \testo{H} energia di legame = -436 kJ}$

Forza di legame: Legami Covalenti

Le molecole stabili esistono perché i legami covalenti tengono insieme gli atomi. Misuriamo la forza di un legame covalente dall’energia richiesta per romperlo, cioè l’energia necessaria per separare gli atomi legati. Separare qualsiasi coppia di atomi legati richiede energia. Più forte è un legame, maggiore è l’energia richiesta per romperlo.

L’energia richiesta per rompere uno specifico legame covalente in una mole di molecole gassose è chiamata energia di legame o energia di dissociazione del legame. L’energia di legame per una molecola biatomica, $\text{D}_\text{X-Y}$ , è definita come la variazione di entalpia standard per la reazione endotermica:

$\testo{XY} (g) \longrightarrow \text{X} (g) \text{ + Y} (g) \testo D_testo X-Y} = \Delta H^{\circ}$

Per esempio, l’energia di legame del puro legame covalente H-H, $\testo{D}_testo{H-H}$ , è 436 kJ per mole di legami H-H rotti:

$\testo{H}_2 (g) \longrightarrow \testo{2H} (g) \testo D_testo{H-H} = \Delta H^{\circ} = \testo{436 kJ}$

Le molecole con tre o più atomi hanno due o più legami. La somma di tutte le energie di legame in una tale molecola è uguale alla variazione entalpica standard per la reazione endotermica che rompe tutti i legami nella molecola. Per esempio, la somma delle quattro energie di legame C-H in $\text{CH}_4$ , 1660 kJ, è uguale alla variazione entalpica standard della reazione:

Una reazione è mostrata con le strutture di Lewis. La prima struttura mostra un atomo di carbonio legato singolarmente a quattro atomi di idrogeno con il simbolo,

L’energia media del legame C-H, $\text{D}_text{C-H}$ , è 1660/4 = 415 kJ/mol perché ci sono quattro moli di legami C-H rotti per mole della reazione. Anche se i quattro legami C-H sono equivalenti nella molecola originale, non richiedono tutti la stessa energia per rompersi; una volta che il primo legame è rotto (che richiede 439 kJ/mol), i legami rimanenti sono più facili da rompere. Il valore di 415 kJ/mol è la media, non il valore esatto richiesto per rompere un qualsiasi legame.

La forza di un legame tra due atomi aumenta all’aumentare del numero di coppie di elettroni nel legame. Generalmente, all’aumentare della forza del legame, la lunghezza del legame diminuisce. Così, troviamo che i legami tripli sono più forti e più corti dei legami doppi tra gli stessi due atomi; allo stesso modo, i legami doppi sono più forti e più corti dei legami singoli tra gli stessi due atomi. Le energie medie di legame per alcuni legami comuni appaiono nella tabella qui sotto, e un confronto delle lunghezze di legame e delle forze di legame per alcuni legami comuni appare nella tabella seguente. Quando un atomo si lega a vari atomi di un gruppo, la forza di legame tipicamente diminuisce man mano che si scende nel gruppo. Per esempio, $\testo{C-F}$ è 439 kJ/mol, $\testo{C-Cl}$ è 330 kJ/mol, e $\testo{C-Br}$ è 275 kJ/mol.

Energie di legame (kJ/mol)
Bond	Energia di legame	Bond	Energia di legame	Bond	Energia di legame
$\testo{H-H}$	436	$\testo{C-S}$	260	$\testo{F-Cl}$	255
$\testo{H-C}$	415	$\testo{C-Cl}$	330	$\testo{F-Br}$	235
$\testo{H-N}$	390	$\testo{C-Br}$	275	$\testo{Si-Si}$	230
$\testo{H-O}$	464	$\testo{C-I}$	240	$\testo{Si-P}$	215
$\testo{H-F}$	569	$\testo{N-N}$	160	$\testo{Si-S}$	225
$\testo{H-Si}$	395	$\testo{N=N}$	418	$\testo{Si-Cl}$	359
$\testo{H-P}$	320	$\testo{N} \equiv}$	946	$\testo{Si-Br}$	290
$\testo{H-S}$	340	$\testo{N-O}$	200	$\testo{Si-I}$	215
$\testo{H-Cl}$	432	$\testo{N-F}$	270	$\testo{P-P}$	215
$\testo{H-Br}$	370	$\testo{N-P}$	210	$\testo{P-S}$	230
$\testo{H-I}$	295	$\testo{N-Cl}$	200	$\testo{P-Cl}$	330
$\testo{C-C}$	345	$\testo{N-Br}$	245	$\testo{P-Br}$	270
$\testo{C=C}$	611	$\testo{O-O}$	140	$\testo{P-I}$	215
$\testo{C} {\a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6}$	837	$\testo{O=O}$	498	$\testo{S-S}$	215
$\testo{C-N}$	290	$\testo{O-F}$	160	$\testo{S-Cl}$	250
$\testo{C=N}$	615	$\testo{O-Si}$	370	$\testo{S-Br}$	215
$\testo{C} {\a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6}$	891	$\testo{O-P}$	350	$\testo{Cl-Cl}$	243
$\testo{C-O}$	350	$\testo{O-Cl}$	205	$\testo{Cl-Br}$	220
$\testo{C=O}$	741	$\testo{O-I}$	200	$\testo{Cl-I}$	210
$\testo{C} {\a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6}$	1080	$\testo{F-F}$	160	$\testo{Br-Br}$	190
$\testo{C-F}$	439	$\testo{F-Si}$	540	$\testo{Br-I}$	180
$\testo{C-Si}$	360	$\testo{F-P}$	489	$\testo{I-I}$	150
$\testo{C-P}$	265	$\testo{F-S}$	285

Lunghezze medie e energie di legame per alcuni Legami comuni
Bond	Lunghezza di legame (Å)	Energia di legame (kJ/mol)
$\text{C-C}$	1.54	345
$\testo{C=C}$	1.34	611
$\testo{C=C} {\a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6} \a6}$	1.20	837
$\testo{C-N}$	1.43	290
$\testo{C=N}$	1.38	615
$\testo{C} {\an8} \an8} \an8} \an8} \an8} \an8} \an8}$	1.16	891
$\testo{C-O}$	1.43	350
$\testo{C=O}$	1.23	741
$\testo{C} \equiv \testo{O}$	1.13	1080

L’energia di legame è la differenza tra l’energia minima (che avviene alla distanza di legame) e l’energia dei due atomi separati. Questa è la quantità di energia rilasciata quando si forma il legame. Al contrario, la stessa quantità di energia è richiesta per rompere il legame. Per la molecola $\text{H}_2$ mostrata nella tabella sopra, alla distanza di legame di 74 pm il sistema è 7,24 × 10-19 J più basso in energia dei due atomi di idrogeno separati. Questo può sembrare un piccolo numero. Tuttavia, come impareremo più dettagliatamente in seguito, le energie di legame sono spesso discusse su base per-mole. Per esempio, ci vogliono 7,24 × 10-19 J per rompere un legame H-H, ma ci vogliono 4,36 × 105 J per rompere 1 mole di legami H-H. Un confronto di alcune lunghezze ed energie di legame è mostrato nelle tabelle qui sopra. Possiamo trovare molti di questi legami in una varietà di molecole, e questa tabella fornisce valori medi. Per esempio, rompere il primo legame C-H in $\text{CH}_4$ richiede 439,3 kJ/mol, mentre rompere il primo legame C-H in $\text{H-CH}_2\text{C}_6\text{H}_5$ (un comune diluente per vernici) richiede 375.5 kJ/mol.

Come si vede nelle tabelle precedenti, un legame singolo carbonio-carbonio medio è di 347 kJ/mol, mentre in un doppio legame carbonio-carbonio, il legame $\pi$ aumenta la forza del legame di 267 kJ/mol. L’aggiunta di un ulteriore legame $\pi$ causa un ulteriore aumento di 225 kJ/mol. Possiamo vedere un modello simile quando confrontiamo altri legami $\sigma$ e $\pi$ . Così, ogni singolo legame $\pi$ è generalmente più debole di un corrispondente legame $\sigma$ tra gli stessi due atomi. In un legame $\pi$ , c’è un maggior grado di sovrapposizione orbitale che in un legame $\pi$ .

Possiamo usare le energie di legame per calcolare cambiamenti entalpici approssimativi per reazioni dove le entalpie di formazione non sono disponibili. Calcoli di questo tipo ci diranno anche se una reazione è esotermica o endotermica. Una reazione esotermica (ΔH negativo, calore prodotto) risulta quando i legami nei prodotti sono più forti dei legami nei reagenti. Una reazione endotermica (ΔH positivo, calore assorbito) risulta quando i legami nei prodotti sono più deboli di quelli nei reagenti.

La variazione di entalpia, ΔH, per una reazione chimica è approssimativamente uguale alla somma dell’energia richiesta per rompere tutti i legami nei reagenti (energia “in”, segno positivo) più l’energia rilasciata quando tutti i legami sono formati nei prodotti (energia “out”, segno negativo). Questo può essere espresso matematicamente nel modo seguente:

$\Delta H= \Sigma \testo{D}_testo{ legami rotti}- \Sigma \testo{D}_testo{ legami formati}$

In questa espressione, il simbolo $\Sigma$ significa “la somma di” e D rappresenta l’energia di legame in kilojoule per mole, che è sempre un numero positivo. L’energia di legame si ottiene da una tabella e dipenderà dal fatto che il particolare legame è un legame singolo, doppio o triplo. Quindi, nel calcolare le entalpie in questo modo, è importante considerare il legame in tutti i reagenti e prodotti. Poiché i valori di D sono tipicamente medie per un tipo di legame in molte molecole diverse, questo calcolo fornisce una stima approssimativa, non un valore esatto, per l’entalpia di reazione.

Considera la seguente reazione:

$\testo{H}_2 (g) + \testo{Cl}_2 (g) \longrightarrow {2HCl} (g)$

$\testo{H-H} (g) + \testo{Cl-Cl} (g) (g) \longrightarrow \testo{2H-Cl} (g)$

Per formare due moli di $\testo{HCl}$ , una mole di legami H-H e una mole di legami Cl-Cl devono essere rotti. L’energia richiesta per rompere questi legami è la somma dell’energia del legame H-H (436 kJ/mol) e del legame Cl-Cl (243 kJ/mol). Durante la reazione, si formano due moli di legami H-Cl (energia di legame = 432 kJ/mol), rilasciando 2 × 432 kJ; o 864 kJ. Poiché i legami nei prodotti sono più forti di quelli nei reagenti, la reazione rilascia più energia di quella che consuma:

$\Delta H$	$= \Sigma \testo{D}_testo{ legami rotti} - \Sigma \testo{D}_testo{ legami formati}$
$\Delta H$	$= - \testo{2D}_testo{H-Cl}$
	$= - 2(432) = \testo{-185 kJ}$

Questa energia in eccesso viene rilasciata come calore, quindi la reazione è esotermica. L’appendice G dà un valore per l’entalpia molare standard di formazione di $\testo{HCl} (g)$ , $Delta H__\text{f}^{\circ}$ , di -92,307 kJ/mol. Il doppio di questo valore è -184.6 kJ, che concorda bene con la risposta ottenuta in precedenza per la formazione di due moli di HCl.

ESEMPIO

Using Bond Energies to Calculate Approximate Enthalpy Changes
Metanolo, $\text{CH}_3\text{OH}$ , può essere un eccellente carburante alternativo. La reazione ad alta temperatura di vapore e carbonio produce una miscela di gas monossido di carbonio, $\testo{CO}$ , e idrogeno, $\text{H}_2$ , da cui può essere prodotto il metanolo. Usando le energie di legame nelle tabelle precedenti, calcola la variazione entalpica approssimativa, ΔH, per la reazione qui descritta:

$\testo{CO} (g) + \text{2H}_2 (g) \longrightarrow \text{CH}_3\text{OH} (g)$

Soluzione
Prima, dobbiamo scrivere le strutture di Lewis dei reagenti e dei prodotti:

Un insieme di diagrammi di Lewis mostra una reazione chimica. La prima struttura mostra un atomo di carbonio con una coppia solitaria di elettroni triplamente legato ad un ossigeno con una coppia solitaria di elettroni. A destra di questa struttura c'è un segno più, poi il numero 2 seguito da un atomo di idrogeno legato singolarmente a un atomo di idrogeno. A destra di questa struttura c'è una freccia rivolta a destra seguita da un atomo di idrogeno legato singolarmente a un atomo di carbonio che è legato singolarmente a due atomi di idrogeno e a un atomo di ossigeno con due coppie solitarie di elettroni. L'atomo di ossigeno è anche legato singolarmente a un atomo di idrogeno.

Da questo, vediamo che ΔH per questa reazione coinvolge l’energia richiesta per rompere un triplo legame C-O e due legami singoli H-H, così come l’energia prodotta dalla formazione di tre legami singoli C-H, un legame singolo C-O, e un legame singolo O-H. Possiamo esprimere questo come segue:

$\Delta H =$	$\Sigma \testo{D}_testo{ legami spezzati} - \Sigma \testo{D}_testo{ legami formati}$
$\Delta H =$

Utilizzando i valori di energia di legame nella tabella, otteniamo:

$\Delta H$
	$= \testo{-107 kJ}$

Possiamo confrontare questo valore con quello calcolato in base ai dati $Delta H__text{f}^{\circ}$ dell’Appendice G:

$\Delta H$

	$= \text{-90.5 kJ}$

Nota che c’è un divario abbastanza significativo tra i valori calcolati con i due diversi metodi. Questo accade perché i valori D sono la media di diverse forze di legame; quindi, spesso danno solo un accordo approssimativo con altri dati.

Check Your Learning
L’alcool etilico, $\text{CH}_3{CH}_2{OH}$ , è stato uno dei primi prodotti chimici organici sintetizzati deliberatamente dall’uomo. Ha molti usi nell’industria, ed è l’alcol contenuto nelle bevande alcoliche. Può essere ottenuto dalla fermentazione dello zucchero o sintetizzato dall’idratazione dell’etilene nella seguente reazione:

Un insieme di strutture di Lewis mostra una reazione chimica. La prima struttura mostra due atomi di carbonio che sono legati insieme in modo doppio e sono ciascuno legato in modo singolo a due atomi di idrogeno. Questa struttura è seguita da un segno più, poi un atomo di ossigeno con due coppie solitarie di elettroni legati singolarmente a due atomi di idrogeno. Una freccia rivolta a destra porta a un atomo di carbonio legato singolarmente a tre atomi di idrogeno e a un secondo atomo di carbonio. Il secondo atomo di carbonio è legato singolarmente a due atomi di idrogeno e a un atomo di ossigeno con due coppie solitarie di elettroni. L'atomo di ossigeno è legato anche ad un atomo di idrogeno.

Utilizzando le energie di legame nella tabella, calcola una variazione entalpica approssimativa, ΔH, per questa reazione.

Risposta:
-35 kJ

Forza del legame ionico ed energia del reticolo

Un composto ionico è stabile a causa dell’attrazione elettrostatica tra gli ioni positivi e negativi. L’energia di reticolo di un composto è una misura della forza di questa attrazione. L’energia di reticolo (ΔHlattice) di un composto ionico è definita come l’energia richiesta per separare una mole del solido nei suoi ioni gassosi componenti. Per il solido ionico MX, l’energia di reticolo è la variazione entalpica del processo:

$\text{MX} (s) \longrightarrow \text{M}^{n+} (g) + \text{X}^{n-} (g) \ \ \ \Delta H_\text{lattice}$

Nota che stiamo usando la convenzione in cui il solido ionico è separato in ioni, quindi le nostre energie di reticolo saranno endotermiche (valori positivi). Alcuni testi usano la convenzione equivalente ma opposta, definendo l’energia di reticolo come l’energia rilasciata quando gli ioni separati si combinano per formare un reticolo e dando valori negativi (esotermici). Quindi, se state cercando le energie di reticolo in un altro riferimento, assicuratevi di controllare quale definizione viene utilizzata. In entrambi i casi, una grandezza maggiore per l’energia di reticolo indica un composto ionico più stabile. Per il cloruro di sodio, $\Delta H____testo{lattice} = \testo{769 kJ}$ . Così, ci vogliono 769 kJ per separare una mole di solido $\testo{NaCl}$ in ioni gassosi $\text{Na}^+$ e $\text{Cl}^-$ . Quando una mole ciascuno di $\testo{Na}^+$ gassoso e $\testo{Cl}^-$ ioni forma $\testo{NaCl}} solido$ , vengono rilasciati 769 kJ di calore.
L’energia del reticolo $\Delta H_\testo{lattice}$ di un cristallo ionico può essere espressa dalla seguente equazione (derivata dalla legge di Coulomb, che regola le forze tra cariche elettriche):

${Delta H_testo{lattice} = \frac{ \testo{C(Z}^+{)(Z}^-) }{ \testo{R}_\circ }$

in cui C è una costante che dipende dal tipo di struttura del cristallo; Z+ e Z- sono le cariche sugli ioni; e Ro è la distanza interionica (la somma dei raggi degli ioni positivi e negativi). Così, l’energia del reticolo di un cristallo ionico aumenta rapidamente quando le cariche degli ioni aumentano e le dimensioni degli ioni diminuiscono. Quando tutti gli altri parametri sono mantenuti costanti, raddoppiando la carica sia del catione che dell’anione si quadruplica l’energia di reticolo. Per esempio, l’energia del reticolo di $\testo{LiF}$ (Z+ e Z- = 1) è 1023 kJ/mol, mentre quella di $\testo{MgO}$ (Z+ e Z- = 2) è 3900 kJ/mol (Ro è quasi lo stesso – circa 200 pm per entrambi i composti).
Distanze interatomiche diverse producono energie di reticolo diverse. Per esempio, possiamo confrontare l’energia di reticolo di $\text{MgF}_2$ (2957 kJ/mol) con quella di $\text{MgI}_2$ (2327 kJ/mol) per osservare l’effetto sull’energia di reticolo della minore dimensione ionica di F- rispetto a I-.

ESEMPIO

Confronti sull’energia del reticolo
La gemma preziosa rubino è ossido di alluminio, $\text{Al}_2\text{O}_3$ , contenente tracce di $\text{Cr}^{3+}$ . Il composto $\text{Al}_2\text{Se}_3$ è usato nella fabbricazione di alcuni dispositivi semiconduttori. Quale ha l’energia di reticolo più grande, $\text{Al}_2\text{O}_3$ o $\text{Al}_2\text{Se}_3$ ?

Soluzione
In questi due composti ionici, le cariche Z+ e Z- sono le stesse, quindi la differenza di energia di reticolo dipende da Ro. Il $testo{O}^{2-}$ è più piccolo dello ione $\testo{Se}^{2-}$ . Così, $\text{Al}_2\text{O}_3$ avrebbe una distanza interionica più corta di $\text{Al}_2\text{Se}_3$ , e $\text{Al}_2\text{O}_3$ avrebbe l’energia di reticolo maggiore.
Controlla il tuo apprendimento
L’ossido di zinco, \text{ZnO} , è una protezione solare molto efficace. Come sarebbe l’energia reticolare di \testo{ZnO} rispetto a quella di $\testo{NaCl}$ ?

Risposta:
\testo{ZnO} avrebbe un’energia reticolare più grande. avrebbe l’energia di reticolo più grande perché i valori Z sia del catione che dell’anione in \testo{ZnO} sono maggiori, e la distanza interionica di \testo{ZnO} è minore di quella di $\testo{NaCl}$ .

PASSI CHIAVE

La forza di un legame covalente è misurata dalla sua energia di dissociazione del legame, cioè la quantità di energia richiesta per rompere quel particolare legame in una mole di molecole. I legami multipli sono più forti dei legami singoli tra gli stessi atomi. L’entalpia di una reazione può essere stimata sulla base dell’energia richiesta per rompere i legami e l’energia rilasciata quando si formano nuovi legami. Per i legami ionici, l’energia di reticolo è l’energia richiesta per separare una mole di un composto nei suoi ioni in fase gassosa. L’energia di reticolo aumenta per gli ioni con cariche più alte e distanze più corte tra gli ioni.

Energia di legame per una molecola biatomica: $\testo{XY} (g) \longrightarrow \text{X} (g) + \text{Y} (g) \testo{D}_testo{X-Y} = \Delta H^{\circ}$
Cambio di entalpia: $</li>Delta H = \Sigma \testo{D}_testo{ legami rotti} - \Sigma \testo{D}_testo{ legami formati}$
Energia del lattice per un solido MX: $\testo{MX} (s) \longrightarrow \testo{M}^{n+} (g) + \testo{X}^{n-} (g) \Delta \ \ H_\text{lattice}$
Energia del reticolo per un cristallo ionico: $Delta H__testo{lattice} = \frac{ \testo{C(Z}^+{)(Z}^-) }{ \testo{R}_circ }$

FINE CAPITOLO ESERCIZI

Quale legame in ciascuna delle seguenti coppie di legami è il più forte? (a) $\testo{C-C}$ o $\testo{C=C}$ b) $\testo{C-N}$ o $\testo{C} {\equiv} \testo{N}$ c) $\testo{C} {\equiv} \testo{O}$ o $\testo{C=O}$ d) $\testo{H-F}$ o $\testo{H-Cl}$ e) $\testo{C-H}$ o $\testo{O-H}$ f) $\testo{C-N}$ o $\testo{C-O}$
Utilizzando le energie di legame nella tabella, determinare la variazione entalpica approssimativa per ciascuna delle seguenti reazioni: (a) $\testo{H}_2 (g) + \testo{Br}_2 (g) \longrightarrow \testo{2HBr} (g)$ (b) $\testo{CH}_4 (g) + \testo{I}_2 (g) \longrightarrow \testo{CH}_3{I} (g) + \testo{HI} (g)$ (c) $\testo{C}_2\testo{H}_4 (g) + \testo{3O}_2 (g) \longrightarrow \testo{2CO}_2 (g) + \testo{2H}_2\testo{O} (g)$
(a) -114 kJ; (b) 30 kJ; (c) -1055 kJ
Utilizzando le energie di legame nella tabella, determina la variazione entalpica approssimativa per ciascuna delle seguenti reazioni: (a) $\text{Cl}_2 (g) + \text{3F}_2 (g) \longrightarrow \text{2ClF}_3 (g)$ (b) $\text{H}_2\text{C} = \text{CH}_2 (g) + \text{H}_2 (g) \longrightarrow \testo{H}_3\text{CCH}_3 (g)$ (c) $\text{2C}_2\text{H}_6 (g) + \text{7O}_2 (g) \longrightarrow \text{4CO}_2 (g) + \text{6H}_2\text{O} (g)$
Disegna una curva che descriva l’energia di un sistema con atomi di H e Cl a distanze variabili. Poi, trova l’energia minima di questa curva in due modi.(a) Usa l’energia di legame trovata nelle tabelle per calcolare l’energia per un singolo $\testo{HCl}$ (Suggerimento: quanti legami ci sono in una mole?)(b) Usa l’entalpia di reazione e le energie di legame per H2 e Cl2 per risolvere l’energia di una mole di $\testo{HCl}$ legami.
$\text{H}_2 (g) + \testo{Cl}_2 (g) \rightleftharpoons \text{2HCl} (g) \ \ \Delta H__{rxn}^{circ} = \text{-184,7 kJ/mol}$

Spiega perché i legami avvengono a distanze di legame medie specifiche invece di avvicinare infinitamente gli atomi tra loro.

La distanza di legame media specifica è la distanza con l’energia più bassa. A distanze inferiori alla distanza di legame, le cariche positive sui due nuclei si respingono a vicenda, e l’energia complessiva aumenta.
Quando una molecola può formare due strutture diverse, la struttura con i legami più forti è solitamente la forma più stabile. Usa le energie di legame per prevedere la struttura corretta della molecola di idrossilammina:
L’energia di legame maggiore è nella figura a sinistra. È la forma più stabile.
Come fa l’energia di legame di $\testo{HCl} (g)$ differisce dall’entalpia standard di formazione di $\text{HCl} (g)$ ?
Utilizzando i dati dell’entalpia standard di formazione nell’appendice G, mostra come l’entalpia standard di formazione di $\testo{HCl} (g)$ possa essere usata per determinare l’energia di legame.

$\testo{HCl} (g) \longrightarrow \frac{1}{2}{2}{H}_2 (g) + \frac{1}{2}{Cl}_2 (g)$ ${Delta H_1^{\circ} = -\Delta H_{{testo{f}^{\circ}$

$\frac{1}{2}{testo{H}_2 (g) \longrightarrow \testo{H} (g)$ $\Delta H_2^{\circ} = \Delta H_{\testo{f}^{\circ}$

$\frac{1}{2}{Cl}_2 (g) \longrightarrow \testo{Cl} (g)$ $\Delta H_3^{\circ} = \Delta H_{\testo{f}^{\circ}$

$\testo{HCl} (g) \longrightarrow \text{H} (g) + \text{Cl} (g)$ $\Delta H_{298}^{\circa} = \Delta H_1^{\circa} + \Delta H_2^{\circuito}$

$D_{HCl} = \Delta H_{298}^{\circ} = \Delta H_{298}^{\circ} = \Delta H_{\text{f}^{\circ} + \Delta H_{{testo{f}^{\circuito} + \Delta H_{{{f}^{\circuito}$

$\text{= -(-92,307 kJ) + 217,97 kJ + 121,3 kJ}$
$\testo{= 431,6 kJ}$
Utilizzando i dati dell’entalpia standard di formazione in Appendice G, calcola l’energia di legame del doppio legame carbonio-zolfo in $\testo{CS}_2$ .
Utilizzando i dati dell’entalpia standard di formazione in Appendice G, determina quale legame è più forte: il legame S-F in $\text{SF}_4 (g)$ o in $\text{SF}_6 (g)$ ?
Il legame S-F in $\testo{SF}_4$ è più forte.
Utilizzando i dati dell’entalpia standard di formazione in Appendice G, determinare quale legame è più forte: il legame P-Cl in $\testo{PCl}_3 (g)$ o in $\testo{PCl}_5 (g)$ ?
Completa la seguente struttura di Lewis aggiungendo legami (non atomi), e poi indica il legame più lungo:

I legami singoli C-C sono più lunghi.
Utilizza l’energia di legame per calcolare un valore approssimativo di ΔH per la seguente reazione. Qual è la forma più stabile di $\testo{FNO}_2$ ?
Usa i principi della struttura atomica per rispondere a ciascuna delle seguenti domande:1 (a) Il raggio dell’atomo di Ca è 197 pm; il raggio dello ione ${text{Ca}^{2+}$ è 99 pm. Dai conto della differenza. (b) L’energia di reticolo di $\testo{CaO} (s)$ è -3460 kJ/mol; l’energia di reticolo di $\text{K}_2\text{O}$ è -2240 kJ/mol. Rendete conto della differenza. (c) Dati questi valori di ionizzazione, spiega la differenza tra Ca e K riguardo alle loro energie di prima e seconda ionizzazione.

Elemento Prima energia di ionizzazione (kJ/mol) Seconda energia di ionizzazione (kJ/mol)

K 419 3050

Ca 590 1140

(d) L’energia di prima ionizzazione di Mg è 738 kJ/mol e quella di Al è 578 kJ/mol. Spiega questa differenza.

(a) Quando due elettroni vengono rimossi dal guscio di valenza, il raggio di Ca perde il livello energetico più esterno e ritorna al livello inferiore n = 3, che è molto più piccolo in raggio.(b) La carica +2 sul calcio tira l’ossigeno molto più vicino rispetto a K, aumentando così l’energia del reticolo rispetto a uno ione meno carico.

(c) La rimozione dell’elettrone 4s in Ca richiede più energia della rimozione dell’elettrone 4s in K a causa della più forte attrazione del nucleo e dell’energia extra richiesta per rompere l’accoppiamento degli elettroni. La seconda energia di ionizzazione per K richiede che un elettrone sia rimosso da un livello energetico più basso, dove l’attrazione è molto più forte dal nucleo per l’elettrone. Inoltre, è necessaria energia per disaccoppiare due elettroni in un orbitale completo. Per Ca, il secondo potenziale di ionizzazione richiede la rimozione solo di un elettrone solitario nel livello energetico esterno esposto.

(d) In Al, l’elettrone rimosso è relativamente non protetto e non accoppiato in un orbitale p. L’energia più alta per il Mg riflette principalmente il disaccoppiamento dell’elettrone 2s.
Per quale delle seguenti sostanze è richiesta la minore energia per convertire una mole del solido in ioni separati? (a) $\testo{MgO}$ b) $\testo{SrO}$ c) $\testo{KF}$ d) $\testo{CsF}$ (e) $\testo{MgF}_2$
(d)
La reazione di un metallo, $\testo{M}$ , con un alogeno, $\text{X}_2$ , procede con una reazione esotermica come indicato da questa equazione: $\testo{M} (s) + \text{X}_2 (g) \rightarrow \text{MX}_2 (s)$ . Per ciascuna delle seguenti, indica quale opzione renderà la reazione più esotermica. Spiega le tue risposte. (a) un raggio grande contro un raggio piccolo per $\text{M}^{+2}$ (b) un’alta energia di ionizzazione contro una bassa energia di ionizzazione per $\text{M}$ (c) un’energia di legame crescente per l’alogeno (d) un’affinità elettronica decrescente per l’alogeno (e) una dimensione crescente dell’anione formato dall’alogeno
L’energia reticolare di $\text{LiF}$ è di 1023 kJ/mol, e la distanza Li-F è di 201 pm. $\testo{MgO}$ cristallizza nella stessa struttura di $\text{LiF}$ ma con una distanza Mg-O di 205 pm. Quale dei seguenti valori approssima maggiormente l’energia di reticolo di $\testo{MgO}$ : 256 kJ/mol, 512 kJ/mol, 1023 kJ/mol, 2046 kJ/mol, o 4008 kJ/mol? Spiega la tua scelta.
4008 kJ/mol; entrambi gli ioni in $\testo{MgO}$ hanno il doppio della carica degli ioni in $\text{LiF}$ ; la lunghezza del legame è molto simile ed entrambi hanno la stessa struttura; ci si aspetta una quadruplicazione dell’energia in base all’equazione per l’energia di reticolo
Quale composto in ciascuna delle seguenti coppie ha l’energia di reticolo maggiore? Nota: $\testo{Mg}^{2+}$ e $\testo{Li}^+$ hanno raggi simili; $\testo{O}^{2-}$ e $\text{F}^-$ hanno raggi simili. Spiega le tue scelte. (a) $\testo{MgO}$ o $\testo{MgSe}$ (b) $\testo{LiF}$ o $\testo{MgO}$ (c) $\testo{Li}_2\testo{O}$ o $\testo{LiCl}$ d) $\testo{Li}_2\testo{Se}$ o $\testo{MgO}$
Quale composto in ciascuna delle seguenti coppie ha l’energia di reticolo maggiore? Nota: $\testo{Ba}^{2+}$ e $\testo{K}^+$ hanno raggi simili; $\testo{S}^{2-}$ e $\text{Cl}^-$ hanno raggi simili. Spiega le tue scelte. (a) $\testo{K}_2\testo{O}$ o $\text{Na}_2\text{O}$ b) $\testo{K}_2\testo{S}$ o $\testo{BaS}$ c) $\testo{KCl}$ o $\testo{BaS}$ d) $\testo{BaS}$ o $\testo{BaCl}_2$
(a) $\testo{Na}_2\testo{O}$ ; $\testo{Na}^+$ ha un raggio minore di $\testo{K}^+$ ; (b) $\testo{BaS}$ ; $\testo{Ba}$ ha una carica maggiore di $\testo{K}$ ; (c) $\testo{BaS}$ ; $\testo{Ba}$ e $\testo{S}$ hanno cariche maggiori; (d) $\testo{BaS}$ ; $\testo{S}$ ha una carica maggiore
Quale dei seguenti composti richiede più energia per convertire una mole del solido in ioni separati? (a) $\testo{MgO}$ (b) $\testo{SrO}$ c) $\testo{KF}$ d) $\testo{CsF}$ (e) $\testo{MgF}_2$
Quale dei seguenti composti richiede più energia per convertire una mole del solido in ioni separati? (a) $\testo{K}_2\testo{S}$ b) $\testo{K}_2\testo{O}$ (c) $\testo{CaS}$ (d) $\testo{Cs}_2\testo{S}$ (e) $\testo{CaO}$
(e)

Elemento	Prima energia di ionizzazione (kJ/mol)	Seconda energia di ionizzazione (kJ/mol)
K	419	3050
Ca	590	1140

Note

1 Questa domanda è tratta dal Chemistry Advanced Placement Examination ed è usata con il permesso dell’Educational Testing Service.

Glossario

energia di legame (anche, energia di dissociazione del legame) energia richiesta per rompere un legame covalente in una sostanza gassosa energia del reticolo (ΔHlattice) energia richiesta per separare una mole di un solido ionico nei suoi componenti ioni gassosi

energia richiesta per separare una mole di un solido ionico nei suoi componenti ioni gassosi

OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO

Forza di legame: Legami Covalenti

ESEMPIO

Forza del legame ionico ed energia del reticolo

ESEMPIO

PASSI CHIAVE

FINE CAPITOLO ESERCIZI

Note

Glossario

I

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