Legame ionico: energia reticolare e ciclo di Born-Haber

Quando un metallo incontra un non metallo, spesso non condividono elettroni: uno li cede e l’altro li acquista. Nasce così il legame ionico, l’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta che tiene insieme cristalli come il comune sale da cucina. Capire questo legame significa capire perché i sali fondono ad alta temperatura, sono duri ma fragili e conducono corrente solo quando sono fusi o disciolti.

Vediamo come avviene il trasferimento di elettroni, che cosa misura l’energia reticolare, come la si calcola con il ciclo di Born-Haber e quali proprietà ne derivano per i solidi ionici.

Il trasferimento di elettroni

Il legame ionico si forma tra elementi con elettronegatività molto diverse: tipicamente un metallo dei primi gruppi, che cede facilmente uno o più elettroni, e un non metallo molto elettronegativo, che li acquista. Il metallo diventa un catione (carica positiva), il non metallo un anione (carica negativa); entrambi raggiungono così una configurazione elettronica stabile, di solito quella del gas nobile più vicino. Nel cloruro di sodio, per esempio, il sodio cede l’unico elettrone del suo guscio esterno al cloro, formando Na⁺ e Cl⁻.

Non si forma però una singola coppia isolata di ioni: nella realtà ogni catione attrae molti anioni vicini e viceversa, dando origine a un reticolo cristallino tridimensionale ordinato. È questa disposizione regolare, e non un legame «tra due particelle», a definire un solido ionico.

L’energia reticolare

La forza di un legame ionico si misura con l’energia reticolare: l’energia che si libera quando gli ioni gassosi separati si uniscono a formare una mole di solido cristallino (oppure, con segno opposto, l’energia necessaria per smontare il cristallo nei suoi ioni gassosi). Più grande è questo valore, più stabile è il solido e più alta sarà la sua temperatura di fusione.

L’energia reticolare dipende da due fattori, descritti in forma semplificata dalla legge di Coulomb:

U ∝ z⁺ z⁻ e²d  (carica × caricadistanza)

conta il prodotto delle cariche degli ioni (cariche maggiori danno legami molto più forti) e conta la distanza tra i centri degli ioni, cioè la somma dei loro raggi (ioni piccoli e vicini si attraggono di più). Per questo l’ossido di magnesio (Mg²⁺ e O²⁻, cariche doppie) ha un’energia reticolare molto più alta del cloruro di sodio (cariche singole), e fonde a temperatura assai più elevata.

Il ciclo di Born-Haber

Il ciclo di Born-Haber è un’applicazione della legge di Hess: poiché l’energia totale di una trasformazione non dipende dal cammino seguito, si può immaginare la formazione del sale come una somma di passaggi noti e ricavare il tassello mancante, l’energia reticolare. I passaggi tipici per un sale come NaCl sono: sublimazione del metallo solido a gas, dissociazione della molecola del non metallo in atomi, ionizzazione del metallo (energia di ionizzazione), acquisto dell’elettrone da parte del non metallo (affinità elettronica) e infine l’unione degli ioni nel reticolo (energia reticolare).

ΔHₐ (formazione) = sublimazione + ionizzazione + dissociazione + affinità elettronica − energia reticolare

Conoscendo l’entalpia di formazione del sale e tutte le altre tappe, l’unica incognita rimane l’energia reticolare, che si ottiene per differenza. È un metodo elegante e affidabile, e il confronto tra il valore così ricavato e quello calcolato dal modello puramente elettrostatico rivela quanto un composto sia «ionico puro» oppure abbia un certo carattere covalente.

Le proprietà dei solidi ionici

Dal reticolo e dalla sua energia discendono direttamente le proprietà tipiche dei sali. Hanno temperature di fusione e di ebollizione elevate, perché per fondere il solido bisogna vincere la forte attrazione tra tutti gli ioni. Sono duri ma fragili: applicando una forza, gli strati di ioni scorrono e si trovano affacciate cariche dello stesso segno, che si respingono e spaccano il cristallo. Allo stato solido non conducono corrente perché gli ioni sono bloccati nel reticolo, ma diventano conduttori quando sono fusi o disciolti in acqua, perché gli ioni sono allora liberi di muoversi. Molti sono solubili in solventi polari come l’acqua, che circonda e stabilizza gli ioni.

Esempi a confronto

Confrontare alcuni sali tipici mostra come cariche e dimensioni degli ioni governino energia reticolare e temperatura di fusione:

Si vede chiaramente l’effetto delle cariche doppie nell’ossido di magnesio e l’effetto del raggio più piccolo nel fluoruro rispetto al cloruro: più alta l’energia reticolare, più alta la temperatura di fusione.

Domande frequenti

Che cos’è il legame ionico?

È l’attrazione elettrostatica tra ioni di carica opposta che si formano quando un atomo poco elettronegativo cede uno o più elettroni a un atomo molto elettronegativo. Il primo diventa un catione, il secondo un anione, ed entrambi si organizzano in un reticolo cristallino ordinato. È tipico dei composti tra metalli dei primi gruppi e non metalli.

Che cos’è l’energia reticolare?

È l’energia liberata quando gli ioni gassosi separati si uniscono per formare una mole di solido cristallino, oppure quella necessaria per separare il cristallo nei suoi ioni gassosi. Misura la forza complessiva del legame ionico: cresce con il prodotto delle cariche degli ioni e diminuisce con la distanza tra i loro centri. Valori alti significano solidi stabili con temperature di fusione elevate.

A che cosa serve il ciclo di Born-Haber?

Serve a ricavare l’energia reticolare, che non si può misurare direttamente. Applicando la legge di Hess, la formazione del sale viene scomposta in tappe energetiche note (sublimazione, ionizzazione, dissociazione, affinità elettronica): conoscendo tutte le altre energie e l’entalpia di formazione, l’energia reticolare si ottiene per differenza.

Perché i solidi ionici sono duri ma fragili?

Sono duri perché tutti gli ioni sono tenuti insieme da forti attrazioni in un reticolo rigido. Sono però fragili perché, se si applica una forza che fa scorrere gli strati, ioni dello stesso segno si trovano improvvisamente affacciati: la repulsione tra cariche uguali spacca il cristallo lungo piani netti. È il motivo per cui i cristalli di sale si frantumano invece di deformarsi.

Perché i sali conducono corrente solo fusi o disciolti?

Perché per condurre corrente servono cariche libere di muoversi. Allo stato solido gli ioni sono bloccati nelle posizioni del reticolo e non possono spostarsi. Quando il sale fonde o si scioglie in acqua, invece, gli ioni si liberano e possono migrare sotto l’azione di un campo elettrico, rendendo il liquido conduttore.