Con los valores de energía de ionización y afinidad electrónica podemos predecir qué elementos forman compuestos iónicos, pero, ¿cómo evaluamos la estabilidad de un compuesto iónico? La energía de ionización y la afinidad electrónica están definidas para procesos que ocurren en fase gaseosa, aunque los compuestos iónicos son sólidos a 1 atm y 25ºC. El estado sólido es una condición distinta porque cada catión se rodea de un número específico de aniones y viceversa. En consecuencia, la estabilidad del compuesto iónico depende de las interacciones de todos los iones.

1. Ciudad Bolívar, Venezuela Código: Qui1-UII-C1 / Revisión: 00
Energía reticular de los compuestos iónicos
#MicroClasesDeCastro / Septiembre, 2021 / Por: José Luis Castro Soto
Introducción
Con los valores de energía de ionización y afinidad electrónica podemos predecir qué elementos forman compuestos iónicos,
pero, ¿cómo evaluamos la estabilidad de un compuesto iónico? La energía de ionización y la afinidad electrónica están
definidas para procesos que ocurren en fase gaseosa, aunque los compuestos iónicos son sólidos a 1 atm y 25ºC. El estado
sólido es una condición distinta porque cada catión se rodea de un número específico de aniones y viceversa. En
consecuencia, la estabilidad del compuesto iónico depende de las interacciones de todos los iones.
Energía de Ionización
Es la energía mínima (en kJ/mol) que se requiere
para separar un electrón (1e-) de un átomo aislado
(o un ion) en estado gaseoso, cuando éste se
encuentra en su estado basal o fundamental.
Afinidad Electrónica
Es el cambio de energía que se produce cuando un
átomo en fase gaseosa acepta un electrón (1e-)
para formar un anión. La afinidad electrónica es
positiva si la reacción es exotérmica y negativa, si
la reacción es endotérmica.
La energía reticular o energía de red, la determinan la carga de los iones y la distancia entre ellos, es una medida
cuantitativa de la estabilidad de cualquier iónico sólido, y se define como:
Energía Reticular o energía de red (U)
Es la energía necesaria para separar completamente (hasta el infinito) las especies contenidas en un mol de
un compuesto iónico sólido (cristal) en sus iones en estado gaseoso.
Por ejemplo: Para separar los iones sodio (Na+
) y cloruro, (Cl -
), contenidos en un mol de cloruro de sodio
(NaCl) sólido, hasta obtener un mol de iones Na+
(g) más un mol de iones Cl-
(g) se requieren 788 kJ/mol.
NaCl(s) = Na+
(g) + Cl -
(g) ΔHred = +788 kJ/mol
Es decir, es necesario suministrar una energía de 788 kJ para separar 1 mol de NaCl sólido en 1 mol de
iones Na+
y 1 mol de iones Cl -
. La energía reticular siempre es una cantidad positiva.
En el Sistema Internacional (SI) el joule (J) es la unidad de energía
1 J = 1 kg m2
/s2
= 1 N m │ Un kilojoules (kJ): 1 kJ = 1000 J
La palabra “reticular” describe el ordenamiento espacial de puntos aislados (ocupados por iones) en un patrón regular.
Advierta que energía reticular y energía interna comparten el mismo símbolo.
Germain Henri Hess (1802-1850)
Químico suizo. Nació en Suiza pero
pasó la mayor parte de su vida en
Rusia. Es considerado el padre de la
termoquímica. En 1840, publicó su
ley de la suma de calor, la cual derivó
a partir de muchas observaciones
termoquímicas.
Max Born (1882-1970)
Físico alemán. Considerado como
uno de los fundadores de la física
moderna. Su trabajo se desarrolló en
una amplia variedad de temas.
Premio Nobel de Física en 1954 por
su interpretación de la función de
onda para partículas.
Fritz Haber (1868-1934)
Químico alemán. Realizó trabajos en
armas químicas. Premio Nobel de
Química en 1918. El proceso de
Haber sintetiza amoniaco a partir de
nitrógeno atmosférico proveyó a
Alemania de nitratos para fabricar
explosivos en la I Guerra Mundial.
La ley de Hess
A presión constante, el calor absorbido o desprendido en un proceso dado es igual a la suma algebraica de
los calores de los procesos individuales que forman. Es decir, si una reacción se efectúa en un paso o en una
serie de pasos, cuando los reactivos se convierten en productos el cambio total de entalpía, ΔH (delta H)
para la reacción total es igual a la suma de los cambios de entalpía de los pasos individuales.
Ciclo de Born-Haber
Ciclo termodinámico, basado en la ley de Hess. En el ciclo, de forma gráfica se analiza los cambios de energía
en las diversas etapas durante la formación de un compuesto sólido iónico a partir de sus elementos. La
variación total de entalpía, ΔH de la reacción de formación será igual a la suma algebraica de las entalpías
de los pasos individuales. El ciclo define las distintas etapas que preceden a la formación de un sólido iónico.
La reacción entre el litio (Li) y el flúor (F) muestra su aplicación
para encontrar la energía reticular del fluoruro de litio (LiF). Con
un cambio de entalpía estándar (ΔH°general ) de -594,1 kJ/mol.
Li(s) + ½F2(g) ─> LiF(s)
Así, la energía reticular debe tener la misma magnitud que ΔH5° pero de signo contrario. Aunque no podemos determinarla
directamente, podemos calcular su valor con el siguiente procedimiento:
3. Ionización de 1 mol de átomos de Li gaseoso en iones Li+ más
electrones. En esta etapa corresponde a la primera energía de
ionización (Ei1) del litio, que tiene un valor positivo: 520 kJ/mol.
Li(g) ─> Li+
(g) + e- ΔH°3 = 520 kJ/mol
1. Conversión del litio sólido a átomos de LI gaseoso (la
conversión directa de un sólido a un gas se llama sublimación).
La energía de sublimación del litio es 155,2 kJ/mol.
Li(s) ─> Li(g) ΔH°1 = 155,2 kJ/mol
2. Disociación de ½ mol de F2 gaseoso en átomos individuales de
F gaseoso. Para romper los enlaces en 1 mol de F2 se
necesita 150,6 kJ de energía (o 75,3 kJ/mol para ½F2).
½F2(g) ─> F(g) ΔH°2 = 75,3 kJ/mol
4. Adición de 1 mol de electrones a 1 mol de átomos de F
gaseoso. El cambio de energía para este proceso es
exactamente lo contrario de la afinidad electrónica.
F(g) + e- ─> F -
(g) ΔH°4 = -328 kJ/mol
5. Combinación de 1 mol de Li+ y 1 mol de F- para formar 1 mol
de LiF. Es la energía liberada cuando los iones se condensan
para formar el sólido, su inversa es la energía reticular.
Li +
(g) + F -
(g) ─> LiF(s) ΔH°5 = ¿?
energía + LiF(s) ─> Li +
( g) + F -
(g)
La figura 1 representa las cinco etapas hipotéticas del ciclo de Born-Haber para el LiF e ilustra la forma en que contribuye
cada etapa al cambio total de energía; además, hace evidente que el proceso neto es la suma de las etapas individuales.
Como los reactivos y productos están en estado estándar (a 1 atm), el cambio de entalpía es también la entalpía estándar de
formación del LiF. Es necesario recalcar, que la reacción ocurre toda al mismo tiempo, es decir, no de manera escalonada,
pero los cálculos de energía son más fáciles si imaginamos una serie de etapas hipotéticas para las que se pueden obtener
experimentalmente mediciones de los valores de energía. La suma de los cambios de entalpía de las etapas es igual al
cambio de entalpía de la reacción general (-594,1 kJ/mol), podemos seguir la formación del LiF a partir de sus elementos a
través de cinco etapas. La siguiente ruta permite analizar los cambios de energía en la formación del compuesto iónico.
@jlcastros78 Micro Clases de Castro
José Luis Castro Soto @MicroClasesDeCastro
@MClasesDeCastro
Referencias Bibliográficas
Brown, T., LeMay, H., Murphy, C., Bursten, B., & Woodward, P. (2014). Química, la ciencia central (Decimosegunda ed.).
Naucalpan de Juárez, México: Pearson Educación de México, S.A. de C.V.
Chang, R., & Goldsby, K. (2017). Química (Duodécima ed.). México, D. F., México: McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A.
McMurry, J., & Fay, R. (2009). Química General (Quinta ed.). México: Pearson Educación.
Rizzotto, M. (2007). Diccionario de Química General e Inorgánica. Rosario, Argentina: Corpus Editorial y Distribuidora.
Existe una correlación entre la energía reticular y el punto de fusión (ver tabla 1). Cuanto mayor sea la energía reticular,
mayor es la estabilidad del compuesto sólido iónico y los iones se enlazan con más fuerza. Por ello se requiere más energía
para fundir dicho sólido y su punto de fusión es mayor queen un sólido conmenor energía reticular.
ΔH°1 = 155,2 kJ/mol
Li(s) ─> Li(g)
1)
ΔH°2 = 75,3 kJ/mol
½F2(g) ─> F(g)
2)
ΔH°3 = 520 kJ/mol
Li(g) ─> Li +
( g) + e-
3)
ΔH°4 = -328 kJ/mol
F(g) + e- ─> F -
(g)
4)
5) Li +
(g) + F -
(g) ─> LiF(s) ΔH°5 = ?
ΔH°general = - 594,1 kJ/mol
Li (s) + ½F2 (g) ─> LiF(s)
Según la ley de Hess:
ΔH°general = ΔH°1 + ΔH°2 + ΔH°3 + ΔH°4 + ΔH°5
ΔH°5 = ΔH°general - ΔH°1 - ΔH°2 - ΔH°3 - ΔH°4
ΔH°5 = -594,1 - 155,2 - 75,3 - 520 – (-328)
ΔH°5 = -1016,6 kJ/mol
La energía reticular del LiF es 1016,6 kJ/mol.
En la etapa 5, ocurren las interacciones electrostáticas entre
iones en el sólido. La reacción no se llevaría a cabo si no
fuera por esta estabilidad que alcanza el sólido debida al
enlace iónico. Como ΔH°5 es una cantidad negativa grande,
la energía reticular del LiF es una cantidad positiva grande.
Note que la energía reticular siempre es una cantidad
positiva porque la separación de los iones de un sólido en
sus iones en fase gaseosa es un proceso endotérmico.
En las etapas 1, 2 y 3 tienen valores positivos y absorben
energía por lo que se les debe aportar energía; en tanto las
etapas 4 y 5 tienen valores negativos y liberan energía.
Figura 1. Ciclo de Born-Haber para la formación del LiF.
LiF(s)
Li(g) + F(g)
Li +
(g) + F -
(g)
Li(s) + ½F2(g)
-(Energía reticular)
ΔH°5 = -1017 kJ
Sublimación
ΔH°1 = 155,2 kJ
Disociación
ΔH°2 = 75,3 kJ
Ionización
ΔH°3 = 520 kJ
-(Afinidad Electrónica)
ΔH°4 = -328 kJ
Calor de formación
ΔH°general = -594,1 kJ
Ciclo de Born-Haber para determinar energías reticulares
Es imposible medir la energía reticular directamente de los experimentos. Sin embargo, se puede determinar indirectamente
suponiendo la formación de un compuesto iónico en varias etapas bien definidas. Este proceso basado en la ley de Hess, se
conoce como ciclo de Born-Haber, un ciclo termoquímico llamado así en honor a los científicos alemanes Max Born y Fritz
Haber, quienes lo desarrollaron. El método relaciona la energía reticular de un compuesto iónico con las energías de
ionización, afinidad electrónica y otras propiedades atómicas y moleculares.
Tabla 1. Algunas energías reticulares y puntos de fusión.
Energía reticular (kJ/mol) Punto de fusión (ºC)
Compuesto
699
788
1017
2527
3890
772
801
845
714
2800
KCl
NaCl
LiF
MgCl2
MgO
Fuente: Chang, R., & Goldsby, K. (2017).