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La energía reticular (también llamada energía de red) se define como la energía necesaria para separar completamente un mol de un compuesto iónico sólido en sus iones gaseosos.
Es una medida de la estabilidad de los compuestos iónicos.
Cuanto más negativa sea esa energía, más energía se libera al separar un mol de compuesto. Es decir, más energía contenían sus enlaces. Por tanto, más fuertes eran.
O, visto de otra forma menos técnica pero más simple: imagina que tienes un cristal de sal de mesa (NaCl). Este cristal está formado por iones de sodio (Na+) y iones de cloro (Cl-) ordenados en una red tridimensional, unidos por fuertes atracciones electrostáticas. Para separar estos iones y convertirlos en iones gaseosos libres, necesitas suministrar energía. Esa energía es la energía reticular.
La energía reticular depende principalmente de dos factores:
Carga de los iones: Cuanto mayor sea la carga de los iones, mayor será la energía reticular. Por ejemplo, MgO (Mg2+ y O2-) tiene una energía reticular mayor que NaCl (Na+ y Cl-).
Los iones se mantienen unidos a través de atracciones electrostáticas. Y éstas son más fuertes cuanto mayores son las cargas.
Tamaño de los iones: Cuanto menor sea el tamaño de los iones, mayor será la energía reticular.
Los iones más pequeños pueden acercarse más entre sí, lo que resulta en una interacción electrostática más fuerte. Por ejemplo, LiF tiene una energía reticular mayor que CsI.
Está relacionada con algunas propiedades de los compuestos iónicos:
Punto de fusión y ebullición: los compuestos iónicos con mayor energía reticular tienen puntos de fusión y ebullición más altos.
Si la energía reticular es mayor, quiere decir que los enlaces entre iones son más fuertes. Por tanto, hace falta más energía (temperatura) para romperlos.
Dureza: Los compuestos iónicos con mayor energía reticular son generalmente más duros. Si la energía reticular es mayor, los enlaces entre iones son más fuertes, así que hace falta más energía (un impacto mayor) para separarlos y romper la estructura.
Solubilidad: La energía reticular influye en la solubilidad de los compuestos iónicos en diferentes disolventes. A mayor energía reticular, menor solubilidad.
Si la energía reticular es mayor, los enlaces entre iones son más fuertes, así que es más difícil que se separen para rodearse de moléculas de disolvente.
Veamos un ejemplo de cómo evaluarla:
Ejemplo: Se sabe que el óxido de magnesio (MgO) tiene una energía reticular mayor (en valor absoluto) que el fluoruro de sodio (NaF). Explica este hecho considerando los factores que influyen en la energía reticular.
Como sabemos, la energía reticular depende de la carga y el tamaño de los iones. Comparando ambas especies:
Carga:
MgO: Mg2+ y O2-.
NaF: Na+ y F-.
Tamaño:
Mg2+ es más pequeño que Na+.
O2- es más grande que F-.
La mayor energía reticular del MgO se debe principalmente a la mayor carga de sus iones. Aunque el radio del O2- es mayor que el del F-, el efecto de la mayor carga es mucho más significativo. La atracción electrostática es mucho más fuerte entre iones con mayor carga, lo que resulta en una mayor liberación de energía al formarse la red cristalina y, por tanto, una energía reticular más alta (en valor absoluto) para el MgO.
Una de las dos herramientas que vamos a estudiar para calcular la energía reticular es el ciclo termodinámico de Born-Haber que aplica la ley de Hess.
Estudia la formación de una sal desde dos procesos químicos distintos: la reacción de formación de la misma (a partir de sus elementos en su forma más estable en la naturaleza) y la construcción hipotética de la red cristalina a partir de sus iones constituyentes en estado gaseoso.
Vamos a ver un ejemplo para que todo se entienda mejor, y a partir de ahí, comentaremos algunos aspectos importantes.
Imaginemos el ciclo de Born Haber para el cloruro de sodio:
Primero, plantearemos su reacción de formación, a partir de sus elementos constituyentes en su estado estándar:
La energía que se intercambia este proceso es la entalpía de formación: ΔHformación.
Planteemos, después, la formación del compuesto a partir de sus iones constituyentes en estado gaseoso:
La energía que se intercambia este proceso es la energía reticular: Ur o ΔHred.
Para formar un ciclo con estas dos reacciones necesitamos pasar por todos los procesos intermedios necesarios para convertir del Na (s) de la primera reacción en el Na+ (g) de la segunda. Y lo mismo con el cloro. Debemos pasar de Cl2 (g) a Cl- (g).
Fíjate cómo debemos ajustar cada reacción y cada proceso para que el balance de masa sea igual en todas direcciones.
Escribamos todo el ciclo junto:
La ley de Hess nos dice que la energía intercambiada en un proceso químico (de un reactivo a un producto determinados) es siempre la misma, independientemente del camino por el que transcurra la reacción.
Es decir, la energía en el proceso de formación (en rojo) debe ser igual a la suma de las energías de cada una de las etapas en azul. Es decir, para este ciclo:
Conociendo esta igualdad, podemos calcular la energía de red del sistema sin problema.
Normalmente, te encontrarás con ejercicios en los que te darán todos los datos menos uno. Y tú tendrás que plantear el ciclo, llegar a una igualdad similar a estas y despejar el valor que te pregunten.
No todos los ciclos son iguales porque sus energías dependen de los átomos que lo forman, pero los pasos son siempre los mismos y deberá seguirse este orden.
Veamos un ejemplo de ejercicio:
Ejemplo: Plantea el ciclo de Born-Haber del CaF2 para calcular la afinidad electrónica del flúor en base a los siguientes datos:
Despejando la afinidad electrónica y sustituyendo cada energía por su valor numérico:
Esta ecuación es otra herramienta para calcular la energía reticular teórica de un compuesto iónico.
Es una expresión teórica que relaciona la energía de red con los parámetros que ya sabemos que influyen en ella: carga de los iones y distancia que los separa.
Una forma muy simplificada de la ecuación es:
Donde:
· Z1 y Z2 con las cargas de los iones
· e es la carga elemental (1,6 · 10-19) C
· NA es la constante de Avogadro (6,022 · 1023)
· A es la constante de Madelung, que depende de cada cristal y su estructura
· d es la distancia entre los iones
· n es el exponente de born, que es un constante que representa la compresibilidad del sólido.
Realmente, los únicos factores que nos interesan son los relativos a la carga y la distancia entre iones, así que este curso, podemos simplificar la expresión como:
, es un valor que engloba todas las constantes para cada tipo específico de cristal.
Fíjate como la energía reticular es directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional a la distancia entre iones, como ya hemos visto.
Normalmente no se usa la ecuación para calcular un valor de energía reticular concreto, sino para comparar los de dos sales y deducir sus propiedades. Veamos un ejemplo.
Ejemplo: Asumiendo que la estructura de los dos cristales es la misma, ¿qué compuesto es más soluble en agua, el NaCl o el NaF?
La solubilidad depende de la fortaleza de la red iónica. Cuanto más fuerte sea (y mayor sea en valor absoluto su energía reticular), más costará separar sus iones y disolver el compuesto.
La carga en ambos iones es la misma. El sodio tiene una carga positiva (Na+), y el cloro y flúor, como halógenos, tienen una negativa (F- y Cl-).
La diferencia, si asumimos que cristalizan en el mismo tipo de estructura, tiene que ver con la distancia. El flúor y el cloro están en el mismo grupo. Pero el cloro está más abajo, así que es más grande. Por tanto, la distancia de enlace entre el sodio y el cloro es mayor que entre el sodio y el flúor.
Teniendo en cuenta la ecuación de Born-Landé:
A mayor distancia entre iones (d) menor energía reticular (Ur) y, por tanto, mayor solubilidad. Es decir, el NaCl es más soluble que el NaF.
1. Establece el ciclo termoquímico de Born-Haber para la formación de Al2O3 (s).
Solución
Debemos tener especial cuidado a la hora de ajustar las reacciones en todas direcciones.
2. Partiendo de una red cristalina del estilo AB (A+, B-), determina cómo afectarán a la energía reticular las siguientes modificaciones:
a) Reducir a la mitad el radio de A+ y B-
b) Duplicar la carga de B+
c) Duplicar las cargas de A+ y B-
d) Triplicar el radio de A+ y B-
Solución
Teniendo en cuenta la expresión de Born-Landé: 
, compararemos la expresión de la energía reticular inicial (
) con la energía reticular tras la modificación 
.
a) Reducir a la mitad el radio de A+ y B-
El radio de enlace es la suma del radio de cada ion: 
Al reducir a la mitad el radio de cada uno: 
La nueva energía reticular, por tanto:
Al reducir a la mitad el radio de cada ion, la energía reticular se duplica.
b) Duplicar la carga de B-
Si duplicamos la carga del ion B: 
Al duplicar la carga de uno de los iones, la energía reticular se duplica.
c) Duplicar las cargas de A+ y B-
Si duplicamos la carga de cada ion: y 
Al duplicar la carga de los dos iones, la energía reticular se cuadriplica.
d) Triplicar el radio de A+ y B-
El radio de enlace es la suma del radio de cada ion: 
Al triplicar el radio de cada ion: 
La nueva energía reticular, por tanto:
Al triplicar el radio, la energía reticular se reduce a un tercio de la original.
3. Calcula la energía reticular del MgO.
Datos: ΔHf (MgO) = -602 kj/mol; ΔHsub (Mg) = 146,1 kJ/mol; ΔHdis (O2) = 498,2 kJ/mol; EI1 (Mg) = 736,7 kj/mol; EI2 (Mg) = 1447,9 kJ/mol; AE1 = -141,2 kJ/mol; AE2 = ,791 kJ/mol
Solución
4. Un grupo de científicos ha descubierto un nuevo elemento, el "Xanium" (X), que se comporta como un halógeno. Para caracterizarlo mejor, deciden determinar la energía de red del compuesto que forma con el sodio (NaX). Sin embargo, el Xanium es extremadamente reactivo y volátil, lo que dificulta la medición directa de la energía reticular.
Afortunadamente, han logrado obtener los siguientes datos:
Entalpía de sublimación del sodio (Na): 108 kJ/mol. Energía de ionización del sodio (Na): 496 kJ/mol. Energía de disociación del Xanium (X₂): 180 kJ/mol. Afinidad electrónica del Xanium (X): -300 kJ/mol. Entalpía de formación del NaX: -410 kJ/mol
Además, mediante estudios de difracción de rayos X, han determinado que el NaX cristaliza en una estructura similar al cloruro de sodio (NaCl).
a) Calcula la energía de red del NaX utilizando el ciclo de Born-Haber.
b) Compara la energía de red del NaX con la del NaCl (-787 kJ/mol) y el NaBr (-747 kJ/mol). Con base en esta comparación, ¿qué puedes inferir sobre la reactividad y el tamaño del Xanium en comparación con el cloro y el bromo?
Solución
a) Calcula la energía de red del NaX utilizando el ciclo de Born-Haber.
b) Compara la energía de red del NaX con la del NaCl (-787 kJ/mol) y el NaBr (-747 kJ/mol). Con base en esta comparación, ¿qué puedes inferir sobre la reactividad y el tamaño del Xanium en comparación con el cloro y el bromo?
La energía de red del NaX es mayor que la del NaCl y NaBr.
Al ser mayor esta energía, la estructura es más estable porque hace falta aplicar más energía para disociarla.
Para hablar del tamaño, veamos la ecuación de Born-Landé:
Como X se comporta como un halógeno, podemos entender que su ion más estable es el X-. Así que las cargas en los tres iones deben ser idénticos.
Por tanto, la diferencia debe estar en el radio. Para que la energía reticular sea mayor, el radio de enlace debe ser más pequeño. Por tanto, el Xanium debe tener un radio menor que el cloro y que el bromo.