Questão 10. A reação
tem
e é violentamente exotérmica. Explique, em termos de configurações eletrônicas e estabilidade da rede cristalina, por que o NaCl é mais estável do que os elementos que o constituem.
Passo 1
O enunciado dá a reação
com
(fortemente exotérmica) e pede que se explique, em termos de configurações eletrônicas e da estabilidade da rede cristalina, por que
é mais estável que os elementos que o formam.
Informações relevantes que vou usar (tiradas do enunciado):
Informações relevantes que vou usar (tiradas do enunciado):
- A reação é muito exotérmica (
negativo grande). - Os reagentes são sódio metálico (
) e cloro molecular ( ), o produto é o sólido iônico .
Passo 2
Configurações eletrônicas dos átomos isolados (forma prática e curta para entender transferência eletrônica):
-
. Ou seja, um elétron solitário no nível . -
. Ou seja, falta um elétron para completar o subnível e atingir a configuração de gás nobre.
Explanação didática: o sódio tem um elétron externo fracamente ligado (
), enquanto o cloro tem tendência a ganhar um elétron para completar a camada
. Esse “dar e receber” de elétrons tende a levar ambos os átomos a configurações de maior estabilidade eletrônica (configurações de gás nobre).
Passo 3
Formação de íons e ganho de estabilidade eletrônica:
-
tende a perder o elétron formando com configuração eletrônica
-
tende a ganhar um elétron formando com configuração
Por que isso é importante? Essas configurações de gás nobre são energeticamente muito estáveis: níveis ocupados ficam completos e a tendência de diminuir a energia total do sistema aumenta. Portanto, a formação de
e
é favorecida do ponto de vista eletrônico.
Passo 4
Energia envolvida em converter átomos em íons (custos e ganhos):
- Perder um elétron do
custa energia igual à sua energia de ionização (endotérmico). - Ganhar um elétron pelo
libera energia igual à sua afinidade eletrônica (exotérmico). - Também há energia necessária para vaporizar/sublimar o
sólido e para quebrar a ligação em átomos; são termos que entram num balanço energético global.
Resumo simples: alguns passos da formação dos íons exigem energia, outros liberam; isoladamente esses trocos não garantem que o processo whole seja exotérmico.
Passo 5
Energia da rede cristalina (energia reticular) — o protagonista da estabilidade:
- Quando
e se juntam para formar o sólido iônico, há uma enorme liberação de energia devido à atração eletrostática entre cargas opostas espalhadas em uma rede ordenada. Essa energia liberada é chamada de energia reticular ( ) e é grande e negativa (exotérmica). - Uma expressão que dá a ideia da ordem de grandeza e das variáveis relevantes é (forma simplificada)
onde:
-
é a constante de Madelung (depende da geometria da rede; para NaCl é relativamente alta porque cada íon tem muitos vizinhos de carga oposta), -
e são as cargas dos íons ( e aqui), -
é a carga elementar, -
é a permissividade do vácuo, -
é a distância entre centros iônicos (quanto menor , maior a magnitude de ). - Interpretação física simples: muitos pares de cargas opostas atraem-se simultaneamente em uma rede 3D; essa soma de atrações libera uma grande quantidade de energia, bem maior do que a atração entre somente um par
.
Passo 6
Como isso explica o
fortemente negativo:
- Montando mentalmente um ciclo termoquímico (Born–Haber) para formar
a partir dos elementos, os termos são por exemplo:
- Os três primeiros termos (sublimação, dissociação, ionização) são positivos (custam energia), a afinidade eletrônica reduz um pouco o custo (é negativa no sinal), mas o que torna a soma final fortemente negativa é
: a energia reticular é tão grande (em módulo) que compensa todos os custos anteriores e ainda sobra muito calor liberado — por isso é . - Em palavras de amigo: a rede cristalina “agarra” os íons tão fortemente e em tantas direções ao mesmo tempo que o sistema final fica muito, muito mais baixo em energia do que os elementos separados.
Passo 7
Ligando à estabilidade estrutural da rede:
- Estrutura tipo NaCl: cada
é rodeado por seis (coordenação 6 — octaédrica) e vice‑versa. Essa alta coordenação aumenta a soma das atrações favoráveis. - Rede altamente ordenada e compacidade pequena distância interiônica
grande energia reticular. - Consequências práticas da alta estabilidade:
tem alto ponto de fusão, é duro (mas frágil), e não volta a reagir espontaneamente para devolver elétrons em condições normais — o estado cristalino é termodinamicamente preferível.
Passo 8
Resumo qualitativo e intuição final (para lembrar na prova):
- O sódio doa seu elétron mais externo e o cloro recebe esse elétron; ambos atingem configurações de gás nobre (
tipo , tipo ), o que por si só aumenta a estabilidade eletrônica. - Além disso, a formação da rede iônica sólida libera uma grande energia reticular (energia de rede) devido à forte atração eletrostática em uma rede 3D altamente coordenada.
- A soma das energias mostra que a energia liberada pela formação da rede é maior que as energias gastas para ionizar e preparar os átomos; por isso o processo é fortemente exotérmico e
é mais estável que os elementos separados.
Resposta
Porque o
doa seu elétron
ao
, formando
e
com configurações eletrônicas de gás nobre (
e
), e esses íons se organizam numa rede iônica 3D onde a forte atração eletrostática (energia reticular) libera muita energia; essa energia liberada compensa os custos de ionização e dissociação e torna a formação de
termodinamicamente muito mais favorável (mais estável) do que os elementos separados.