Ikatan Ionik Bagian 2 : Menentukan Energi Kisi

Pada poin ini, Anda mungkin bertanya-tanya tentang poin awal kita dalam Perhitungan energi ini - yaitu, atom natrium gas dan atom klorin. Di alam, natrium adalah logam padat dan klorin terdiri dari molekul gas Cl2. Mari kita lihat analisis lengkap tentang perubahan energi yang memperhitungkan hal ini. Untuk melakukan analisis, kita akan menggunakan diagram enthalpy yang disebut siklus Born-Haber yaitu para ilmuwan yang pertama menggunakannya untuk menghitung energi kisi.

Baiklah, kita akan membangun dua jalur yang berbeda dari unsur bebas (padatan natrium dan molekul gas klorin) ke senyawa ionik padat, natrium klorida, seperti yang ditunjukkan pada Gambar dibawah ini. Titik awal untuk kedua jalur adalah sama: unsur bebas natrium dan klorin. Jalan yang dimulai di kiri bawah membawa kita langsung ke produk, NaCl(s), dan memiliki perubahan entalpin pembentukan NaCl, ∆H°f.



Jalur alternatif dibagi menjadi beberapa langkah. Dua yang pertama, diberi label 1 dan 2, memiliki nilai ∆H° yang dapat diukur secara eksperimental dan keduanya bersifat endotermik. Mereka mengubah Na(s) dan Cl2 (g) ke dalam atom gas, Na(g) dan Cl(g). Dua langkah berikutnya (Langkah 3 dan 4) mengubah atom menjadi ion, pertama oleh energi ionisasi endotermik (IE) Na, diikuti oleh afinitas elektron eksotermik (EA) Cl. Ini membawa kita ke ion gas, Na+(g) + Cl-(g), yang digambarkan di sebelah kanan pada Gambar diatas. Perhatikan bahwa pada saat ini, jika kita menambahkan semua perubahan energi, ion berada pada energi yang jauh lebih tinggi daripada reaktan. Jika ini adalah satu-satunya syarat energi yang terlibat dalam pembentukan NaCl, entalpi pembentukan akan menjadi endotermik dan senyawa tersebut akan menjadi tidak stabil; Itu tidak bisa dibentuk oleh kombinasi langsung unsur-unsurnya.

Langkah terakhir di sebelah kanan pada Gambar (Langkah 5) akhirnya membawa kita ke NaCl padat dan sesuai dengan energi kisi. Agar perubahan energi sama di kedua jalur, energi dilepaskan saat ion mengembun membentuk padatan harus sama dengan -787,0 kJ. Oleh karena itu, energi kisi yang dihitung dari NaCl harus -787,0 kJ mol-1.

Apa yang kita lihat dalam analisis ini adalah bahwa itu adalah energi kisi yang memungkinkan NaCl terbentuk dari unsur-unsurnya. Sebenarnya, untuk senyawa ionik apapun, pengaruh stabilisasi utama adalah energi kisi, yang bila dilepaskan cukup besar untuk mengatasi masukan energi yang dibutuhkan untuk membentuk ion dari unsur-unsurnya.

Selain mempengaruhi kemampuan senyawa ionik untuk terbentuk, energi kisi juga penting dalam menentukan kelarutan senyawa ionik dalam air dan pelarut lainnya. Kami akan membahas topik ini pada postingan selanjutnya.

Efek Ionic Size dan Charge pada Energi Kisi
Energi kisi dari beberapa senyawa ionik diberikan pada Tabel berikut ini. 


Seperti yang bisa Anda lihat, jumlahnya sangat banyak eksotermik. Besaran mereka bergantung pada sejumlah faktor, termasuk muatan pada ion dan ukurannya. Untuk dua ion dengan muatan q1 dan q2 yang dipisahkan oleh jarak r, energi potensial dapat dihitung dari hukum Coulomb:
Dimana k adalah konstanta proporsionalitas. Dalam padatan ionik, q1 dan q2 memiliki tanda yang berlawanan, maka E dihitung menjadi kuantitas negatif. Itu sebabnya energi kisi memiliki tanda negatif. Bila muatan pada ion menjadi lebih besar (yaitu, ketika q1 dan q2 menjadi lebih besar), E menjadi lebih negatif, yang berarti energi potensial menjadi lebih rendah (lebih negatif).

Ini menjelaskan mengapa garam Ca2+ memiliki energi kisi yang lebih besar daripada garam Na+ yang sebanding, dan yang mengandung Al3+ memiliki energi kisi yang lebih besar lagi. Karena jarak antara ion, r, muncul dalam penyebut pada Persamaan tadi, E menjadi jumlah negatif yang lebih besar karena r menjadi lebih kecil. Akibatnya, senyawa yang terbentuk dari ion kecil (yang bisa berdekatan) memiliki energi kisi yang lebih besar daripada yang terbentuk dari ion besar. Sebagai contoh, ion Na+ lebih kecil dari ion K+, dan perhatikan Gambar berikut:
Kita membandingkan jarak kation-anion yang diamati pada NaCl dan KCl padat. Jarak Na-Cl yang lebih kecil menyebabkan NaCl memiliki energi kisi yang lebih besar daripada KCl.

Faktor yang Menentukan Pembentukan Kation dan Anion
Kami telah menunjukkan bahwa untuk pembentukan senyawa ionik, penurunan energi yang dihasilkan oleh pelepasan energi kisi harus melebihi kenaikan energi yang terkait dengan pembentukan ion dari atom netral. Ini mengharuskan agar kation terbentuk dari atom dengan energi ionisasi yang relatif rendah; Atom tersebut ditemukan di antara logam. Non logam, di kanan atas tabel periodik, memiliki energi ionisasi yang besar namun umumnya afinitas elektron eksotermik. Sebuah atom nonlogam memiliki sedikit kecenderungan untuk kehilangan elektron, namun membentuk anion dari atom nonlogam sebenarnya dapat membantu menurunkan energi. Akibatnya, kation terbentuk dari logam dan anion terbentuk dari logam nonmetal karena ini menyebabkan penurunan energi terbesar. Sebenarnya, logam bergabung dengan logam nonmetal untuk membentuk senyawa ionik hanya karena ikatan ion disukai secara energetik dibandingkan jenis lainnya setiap kali atom dengan energi ionisasi kecil bergabung dengan atom yang memiliki afinitas elektron eksotermik besar.

Referensi: 

Brady, J. E. (2011). General Chemistry. 6th .ed. New York : John Willey & Sons.