Kita dapat memprediksi unsur mana yang cenderung membentuk senyawa ionik berdasarkan data energi ionisasi dan afinitas elektron, tetapi bagaimana kita mengevaluasi stabilitas senyawa ionik? Energi ionisasi dan afinitas elektron didefinisikan untuk proses yang terjadi dalam fase gas, tetapi pada 1 atm dan 25°C semua senyawa ionik merupakan padatan. Keadaan padat adalah lingkungan yang sangat berbeda karena setiap kation dalam padatan dikelilingi oleh sejumlah anion tertentu, dan sebaliknya. Dengan demikian, kestabilan keseluruhan senyawa ionik padat bergantung pada interaksi semua ion-ion ini dan bukan hanya pada interaksi kation dan anion tunggal. Ukuran kuantitatif stabilitas setiap padatan ion adalah energi kisi, yang didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk benar-benar memisahkan 1 (satu) mol senyawa ionik padat menjadi ion-ion gas (lihat Bagian 6.7).
Siklus Born-Haber untuk Menentukan Energi Kisi
Energi kisi tidak dapat diukur secara langsung. Namun, jika kita mengetahui struktur dan komposisi senyawa ionik, kita dapat menghitung energi kisi senyawa dengan menggunakan hukum Coulomb, yang menyatakan bahwa energi potensial (E) antara dua ion berbanding lurus dengan produk muatannya dan berbanding terbalik dengan jarak pemisahan di antara keduanya. Untuk ion Li⁺ tunggal dan ion F⁻ tunggal yang dipisahkan oleh jarak r, energi potensial sistem diberikan oleh
(9.2)
di mana QLi⁺ dan QF⁻ adalah muatan pada ion Li⁺ dan F⁻ sedangkan k adalah konstanta proporsionalitas. Karena QLi⁺ positif dan QF⁻ negatif, E adalah kuantitas negatif, dan pembentukan ikatan ionik dari Li⁺ dan F⁻ adalah proses eksotermik. Akibatnya, energi harus disuplai untuk membalikkan proses (dengan kata lain, energi kisi LiF adalah positif), sehingga pasangan ikatan ion Li⁺ dan F⁻ lebih stabil daripada ion Li⁺ dan F⁻ yang terpisah.
Kita juga dapat menentukan energi kisi secara tidak langsung, dengan mengasumsikan bahwa pembentukan senyawa ionik terjadi dalam serangkaian langkah-langkah. Prosedur ini, yang dikenal sebagai siklus Born-Haber, menghubungkan energi kisi senyawa ionik dengan energi ionisasi, afinitas elektron, dan sifat-sifat atom dan molekul lainnya. Cara ini didasarkan pada hukum Hess (lihat Bagian 6.6). Dikembangkan oleh Max Born dan Fritz Haber, siklus Born-Haber mendefinisikan berbagai langkah yang mendahului pembentukan padatan ionik. Kita akan menggambarkan penggunaannya untuk menemukan energi kisi litium fluorida.
Perhatikan reaksi antara litium dan fluorin:
Perubahan entalpi standar untuk reaksi ini adalah 2594,1 kJ/mol. (Karena reaktan dan produk dalam keadaan standar, yaitu, pada 1 atm dan 25⁰C, perubahan entalpi juga merupakan entalpi pembentukan standar untuk LiF.) Ingatlah bahwa jumlah perubahan entalpi untuk langkah-langkahnya sama dengan entalpi perubahan reaksi keseluruhan (2594,1 kJ/mol), kita dapat melacak pembentukan LiF dari unsur-unsurnya melalui lima langkah terpisah. Prosesnya mungkin tidak terjadi persis seperti ini, tetapi jalur ini memungkinkan kita untuk menganalisis perubahan energi pembentukan senyawa ionik, dengan penerapan hukum Hess.
1. Konversikan litium padat menjadi uap litium (konversi langsung padatan ke gas disebut sublimasi):
Energi sublimasi untuk lithium adalah 155,2 kJ/mol.
2. Lepaskan ½ mol gas F₂ menjadi atom F gas yang terpisah:
Energi yang dibutuhkan untuk memutus ikatan dalam 1 mol molekul F₂ adalah 150,6 kJ. Di sini kita memutuskan ikatan menjadi setengah mol F₂, sehingga perubahan entalpi adalah 150,6/2, atau 75,3 kJ.
3. Ionisasi 1 mol atom Li gas (lihat Tabel 8.2):
4. Tambahkan 1 mol elektron ke 1 mol atom F gas. Sebagaimana dibahas pada bagian 8.5, perubahan energi untuk proses ini adalah kebalikan dari afinitas elektron (lihat Tabel 8.3):
5. Gabungan 1 mol Li⁺ gas dan 1 mol F⁻ membentuk 1 mol LiF padat:
mendefinisikan energi kisi LiF. Dengan demikian, energi kisi harus memiliki besaran yang sama dengan 𝚫H₅° tetapi merupakan tanda yang berlawanan. Meskipun kita tidak dapat menentukan 𝚫H₅° secara langsung, kita dapat menghitung nilainya dengan prosedur berikut.
Gambar 9.2 merangkum siklus Born-Haber untuk LiF. Langkah 1, 2, dan 3 semuanya membutuhkan suplai energi. Di sisi lain, langkah 4 dan 5 melepaskan energi. Karena 𝚫H₅° adalah jumlah negatif yang besar, energi kisi LiF adalah jumlah positif yang besar, yang bertanggung jawab atas stabilitas LiF padat. Semakin besar energi kisi, semakin stabil senyawa ionik. Ingatlah bahwa energi kisi selalu merupakan nilai positif karena pemisahan ion dalam padatan menjadi ion dalam fase gas, menurut hukum Coulomb, merupakan proses endotermik.
Tabel 9.1 mencantumkan energi kisi dan titik leleh beberapa senyawa ionik yang umum dijumpai. Ada korelasi antara energi kisi dan titik lebur. Semakin besar energi kisi, semakin stabil zat padat dan semakin kuat memegang ion. Dibutuhkan lebih banyak energi untuk melelehkan padatan yang demikian, sehingga padatan memiliki titik lebur yang lebih tinggi daripada padatan dengan energi kisi yang lebih kecil. Perhatikan bahwa MgCl₂, Na₂O, dan MgO memiliki energi kisi yang luar biasa tinggi. Yang pertama dari senyawa ionik ini memiliki kation bermuatan ganda (Mg²⁺) dan yang kedua adalah anion bermuatan ganda (O₂²⁻); di senyawa ketiga ada interaksi antara dua spesi bermuatan ganda (Mg²⁺ dan O₂²⁻). Daya tarik coulomb antara dua spesi bermuatan ganda, atau antara ion bermuatan ganda dan ion bermuatan tunggal, jauh lebih kuat daripada di antara anion dan kation bermuatan tunggal.
Tabel 9.1 Energi Kisi dan Titik lebur dari Beberapa Logam Alkali dan Logam Alkali Tanah Halida dan Oksida
Energi Kisi dan Rumus Senyawa Ionik
Karena energi kisi adalah ukuran stabilitas senyawa ionik, nilainya dapat membantu untuk menjelaskan rumus senyawa ini. Perhatikan magnesium klorida sebagai contoh. Kita telah mempelajari bahwa energi ionisasi suatu unsur meningkat dengan signifikan jika elektron-elektron secara berurutan dikeluarkan dari atomnya. Sebagai contoh, energi ionisasi magnesium pertama adalah 738 kJ/mol, dan energi ionisasi kedua adalah 1.450 kJ/mol, hampir dua kali lipat dari energi ionisasi pertama. Kita mungkin bertanya mengapa, dari sudut pandang energi, magnesium tidak memilih untuk membentuk ion yang tidak positif dalam senyawanya. Mengapa magnesium klorida tidak memiliki rumus MgCl (mengandung ion Mg⁺) daripada MgCl₂ (mengandung ion Mg²⁺)? Diketahui, ion Mg²⁺ memiliki konfigurasi gas mulia [Ne], yang mewakili stabilitas karena kulitnya benar-benar berlapis. Tetapi stabilitas yang diperoleh melalui kulit berlapis tidak (pada kenyataannya) lebih besar dari input energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari ion Mg⁺. Alasannya adalah MgCl₂ terletak pada stabilitas tambahan yang diperoleh dengan pembentukan magnesium klorida padat. Energi kisi MgCl₂ adalah 2.527 kJ/mol, yang lebih dari cukup untuk mengimbangi energi yang dibutuhkan untuk melepaskan dua elektron pertama dari atom Mg (738 kJ/mol + 1.450 kJ/mol = 2.188 kJ/mol).
Bagaimana dengan natrium klorida? Mengapa rumus untuk natrium klorida NaCl dan bukan NaCl₂ (mengandung ion Na²⁺)? Meskipun Na²⁺ tidak memiliki konfigurasi elektron gas mulia, kita mungkin mengharapkan senyawa tersebut menjadi NaCl₂ karena Na²⁺ memiliki muatan yang lebih tinggi dan karenanya NaCl₂ hipotetis seharusnya memiliki energi kisi yang lebih besar. Sekali lagi, jawabannya terletak pada keseimbangan antara input energi (yaitu, energi ionisasi) dan stabilitas yang diperoleh dari pembentukan padatan. Jumlah dari dua energi ionisasi pertama natrium adalah
496 kJ/mol + 4.560 kJ/mol = 5.056 kJ/mol
Senyawa NaCl₂ tidak ada, tetapi jika kita mengasumsikan nilai 2.527 kJ/mol sebagai energi kisinya (sama dengan yang untuk MgCl₂), kita melihat bahwa hasil energi akan terlalu kecil untuk mengimbangi energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan Ion Na²⁺.
Apa yang dikatakan tentang kation berlaku juga untuk anion. Dalam Bagian 8.5 kita akan menemukan bahwa afinitas elektron oksigen adalah 141 kJ/mol, yang berarti bahwa proses berikut melepaskan energi (dan karenanya lebih disukai):
O(g) + e⁻ → O⁻(g)
Seperti yang kita harapkan, menambahkan elektron lain ke ion O⁻
O(g) + e⁻ → O²⁻(g)
akan tidak disukai dalam fase gas karena peningkatan tolakan elektrostatik. Memang, afinitas elektron O⁻ negatif (2.780 kJ/mol). Namun senyawa yang mengandung ion oksida (O²⁻) memang ada dan sangat stabil, sedangkan senyawa yang mengandung ion O⁻ tidak diketahui. Sekali lagi, energi kisi tinggi yang dihasilkan dari ion O²⁻ dalam senyawa seperti Na₂O dan MgO jauh melebihi energi yang dibutuhkan untuk menghasilkan ion O²⁻.
Ulasan Konsep
Manakah dari senyawa berikut ini yang memiliki energi kisi lebih besar, LiCl atau CsBr?
No comments:
Post a Comment
Note: Only a member of this blog may post a comment.