9.5: Tendências em Energia Reticular: Tamanho e Carga de Iões

Um composto iónico é estável devido à atração eletrostática entre os seus iões positivos e negativos. A energia reticular de um composto é uma medida da força desta atração. A energia reticular (ΔH_reticular) de um composto iónico é definida como a energia necessária para separar um mole do sólido nos seus iões gasosos constituintes. Para o sólido iónico cloreto de sódio, a energia reticular é a alteração da entalpia do processo:

Convenções

Aqui, é usada a convenção onde o sólido iónico é separado em iões, o que significa que as energias reticulares serão endotérmicas (valores positivos). Outra forma é usar uma convenção equivalente, mas oposta, na qual a energia reticular é exotérmica (valores negativos) e descrita como a energia libertada quando os iões se combinam para formar uma rede. Assim, certifique-se de confirmar que definição é usada ao procurar energias reticulares em outra referência. Em ambos os casos, uma magnitude maior para a energia reticular indica um composto iónico mais estável. Para cloreto de sódio, ΔH_reticular = 769 kJ. Portanto, requer 769 kJ para separar um mole de NaCl sólido nos iões gasosos Na⁺ e Cl^–. Quando um mole de cada um dos iões gasosos Na⁺ e Cl^– formam NaCl sólido, são libertados 769 kJ de calor.

A Lei de Coulomb e a Energia Reticular

A energia reticular ΔH_reticular de um cristal iónico pode ser expressa pela seguinte equação (derivada da lei de Coulomb, que rege as forças entre cargas elétricas): 

ΔH_reticular =  C(Z ⁺)(Z⁻)/R_o 

em que C é uma constante que depende do tipo de estrutura cristalina; Z⁺ e Z^– são as cargas dos iões, e R_o é a distância interiónica (a soma dos raios dos iões positivos e negativos). Assim, a energia reticular de um cristal iónico aumenta rapidamente à medida que as cargas dos iões aumentam e os tamanhos dos iões diminuem. Quando todos os outros parâmetros são mantidos constantes, a duplicação da carga tanto do catião como do anião quadruplica a energia reticular. 

Exemplos

1. A energia reticular de LiF (Z⁺ e Z^– = 1) é de 1023 kJ/mol, enquanto que a de MgO (Z⁺ e Z^– = 2) é de 3900 kJ/mol (R_o é quase igual — cerca de 200 pm para ambos os compostos).
2. Diferentes distâncias interatómicas produzem diferentes energias reticulares. Por exemplo, compare a energia reticular de MgF₂ (2957 kJ/mol) com a de MgI₂ (2327 kJ/mol) para observar o efeito na energia reticular do tamanho iónico menor de F^– em comparação com I^–.
3. A jóia preciosa rubi é óxido de alumínio, Al₂O₃, contendo vestígios de Cr³⁺. O composto Al₂Se₃ é usado na fabricação de alguns dispositivos semicondutores. Nestes dois compostos iónicos, as cargas Z⁺ e Z^– são as mesmas, de modo que a diferença na energia reticular depende de R_o. Como o ião O₂^– é menor que o ião Se₂^–, Al₂O₃ tem uma distância interiónica menor que Al₂Se₃ e tem, portanto, maior energia reticular.
4. Outro exemplo é o óxido de zinco, ZnO, comparado com NaCl. ZnO tem uma maior energia reticular porque os valores de Z do catião e do anião no ZnO são maiores, e a distância interiónica de ZnO é menor que a do NaCl.

Este texto é adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 7.5: Strengths of Ionic and Covalent Bonds.

A energia da malha está associada à formação ou separação de uma malha iónica. No entanto, quando o cloreto de sódio ou óxido de magnésio se formam, a sua energia de malha difere significativamente. Porque é que cada composto iónico tem uma energia de malha diferente, e de que fatores depende, um composto iónico consiste num arranjo ordenado de um grande número de íons carregados atraídos uns pelos outros por interações eletrostáticas.

Segundo a lei de Coulomb, a energia potencial de dois íons é inversamente proporcional à distância entre os íons, o que, por sua vez, depende do raio iónico. Na tabela periódica, o raio iónico dos metais alcalinos e alcalino-terrosos aumenta ao longo da coluna. À medida que o tamanho do ião metálico aumenta, a distância entre os íons, ou o comprimento da ligação, também se torna maior.

Por exemplo, o comprimento da ligação do brometo de lítio e do brometo de potássio difere entre 217 picômetros e 282 picômetros, respetivamente. Devido ao aumento da distância internuclear, a atração entre os íons diminui e torna-se muito mais fácil separar os íons. Assim, a energia da malha para separar o brometo de lítio sólido é maior do que para o brometo de potássio sendo 807 kilojoules/mol contra 682 kilojoules/mol, respetivamente.

Para além do raio iónico, a magnitude da energia da malha também depende das cargas dos íons. De acordo com a lei de Coulomb, a energia potencial dos íons é diretamente proporcional ao produto dos seus encargos. Consideremos dois compostos iónicos de fluoreto de sódio e óxido de cálcio.

A distância iónica em ambos os compostos é semelhante, mas a energia da malha do óxido de cálcio é quase quatro vezes maior do que a do fluoreto de sódio. Tanto o sódio como o flúor são íons monovalentes;o produto do seu encargo é 1. No entanto, os íons de cálcio e óxido são bivalentes e o produto do seu encargo é 4, que é quatro vezes maior do que o do fluoreto de sódio.

É por isso que é preciso quase quatro vezes mais energia para separar o óxido de cálcio em íons gasosos em comparação com o fluoreto de sódio. Assim, a magnitude da energia da malha é diretamente proporcional ao produto das cargas iónicas e é inversamente proporcional à distância entre os íons.