Что нужно знать об атомах, чтобы понять ионную связь
Электронное строение атома
Чтобы разобраться в ионной связи, сначала вспомним строение атома. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов. Электроны находятся в электронной оболочке и располагаются на энергетических уровнях — электронных слоях.
Электроны внешнего слоя называют валентными. Они участвуют в образовании химических связей и во многом определяют химические свойства элементов.
Особенно устойчивым является строение внешнего электронного слоя благородных газов — элементов 18-й группы периодической таблицы. У гелия на внешнем уровне 2 электрона, у неона, аргона и других благородных газов — обычно 8. Такое строение отличается высокой устойчивостью.
При образовании многих химических соединений атомы могут отдавать, принимать или совместно использовать электроны. В школьной модели часто говорят, что атомы стремятся приобрести более устойчивое строение внешнего электронного слоя.
Почему металлы отдают, а неметаллы принимают электроны
У атомов многих металлов главных подгрупп на внешнем электронном слое находится небольшое число электронов. Например, электронное строение атома натрия можно представить как 2, 8, 1. У него один электрон на внешнем уровне, который сравнительно легко удалить. Поэтому атом натрия может отдать этот электрон и превратиться в положительно заряженный ион:
Na − e⁻ → Na⁺
У многих неметаллов на внешнем уровне, наоборот, находится несколько электронов, и им не хватает небольшого числа электронов до более устойчивого строения. Например, у атома хлора электронное строение 2, 8, 7. Присоединив один электрон, он превращается в отрицательно заряженный ион:
Cl + e⁻ → Cl⁻
Таким образом, в простейшей модели при взаимодействии натрия и хлора один электрон переходит от атома натрия к атому хлора. Образуются противоположно заряженные ионы Na⁺ и Cl⁻.
Электроотрицательность: способность атома притягивать электроны
Электроотрицательность — это способность атома в составе химического соединения притягивать к себе электроны.
Это понятие связано с именем американского химика Лайнуса Полинга, который предложил одну из наиболее известных шкал электроотрицательности. Наибольшую электроотрицательность среди элементов имеет фтор.
В периоде слева направо электроотрицательность в целом увеличивается, а в группе сверху вниз — уменьшается. Поэтому атомы неметаллов в правой верхней части периодической таблицы обычно сильнее притягивают электроны, чем атомы металлов в левой нижней части.
Разность электроотрицательностей помогает оценить характер химической связи. Чем она больше, тем сильнее смещается электронная плотность в сторону более электроотрицательного атома. При большой разности электроотрицательностей связь может иметь преимущественно ионный характер.
Как образуется ионная связь
Перенос электронов: от атомов к ионам
Рассмотрим образование хлорида натрия.
Атом натрия отдаёт один электрон и превращается в положительно заряженный ион натрия:
Na − e⁻ → Na⁺
Атом хлора принимает этот электрон и превращается в отрицательно заряженный хлорид-ион:
Cl + e⁻ → Cl⁻
После потери электрона электронное строение натрия становится 2, 8 — таким же, как у неона. После присоединения электрона электронное строение хлора становится 2, 8, 8 — таким же, как у аргона.
Образовавшиеся Na⁺ и Cl⁻ имеют противоположные электрические заряды и притягиваются друг к другу.
Определение и суть ионной связи
Ионная связь — это химическая связь, обусловленная электростатическим притяжением положительно и отрицательно заряженных ионов.
При образовании ионного соединения электроны могут переходить от одних атомов к другим, в результате чего образуются катионы и анионы. Противоположно заряженные частицы притягиваются, а одноимённо заряженные — отталкиваются.
В кристалле одновременно действуют многочисленные силы притяжения и отталкивания. Устойчивое строение кристалла соответствует такому расположению ионов, при котором система имеет энергетически выгодное состояние.
Ненаправленность и ненасыщаемость ионной связи
Ионная связь имеет две характерные особенности — ненаправленность и ненасыщаемость.
Ионное взаимодействие не направлено по одной определённой линии, как это бывает в некоторых моделях ковалентной связи. Заряженный ион создаёт электрическое поле во всех направлениях и взаимодействует с окружающими ионами противоположного знака.
Ионная связь также считается ненасыщаемой: один ион может взаимодействовать сразу с несколькими ионами противоположного знака. Число ближайших соседей зависит от строения кристалла, размеров ионов и других факторов.
Например, в кристалле хлорида натрия каждый ион Na⁺ окружён шестью ближайшими ионами Cl⁻, а каждый Cl⁻ — шестью ближайшими ионами Na⁺.
Где встречается ионная связь
Ионные соединения часто образуются при взаимодействии активных металлов с неметаллами. Например:
натрий и хлор → NaCl;
калий и бром → KBr;
кальций и фтор → CaF₂;
магний и кислород → MgO.
Ионные соединения могут также содержать многоатомные ионы. Например, в нитрате натрия NaNO₃ присутствуют катионы Na⁺ и нитрат-ионы NO₃⁻.
К ионным соединениям относятся многие соли, некоторые основания и многие оксиды металлов. Например:
NaCl — хлорид натрия;
KOH — гидроксид калия;
Ca(OH)₂ — гидроксид кальция;
MgO — оксид магния;
Na₂CO₃ — карбонат натрия.
Строение и свойства ионных соединений
Почему у ионных соединений нет отдельных молекул
Ионные соединения в твёрдом состоянии обычно образуют кристаллические структуры. В таком кристалле нет отдельных молекул NaCl, каждая из которых состояла бы из одного иона Na⁺ и одного иона Cl⁻.
Формула NaCl показывает простейшее соотношение ионов в веществе: на один ион Na⁺ приходится один ион Cl⁻.
Аналогично формула CaCl₂ показывает соотношение ионов Ca²⁺ и Cl⁻ как 1:2. Суммарный заряд при этом равен нулю:
(+2) + 2 · (−1) = 0
Поэтому ионные соединения в целом электрически нейтральны.
Строение ионных кристаллов
Твёрдые ионные соединения образуют ионные кристаллы. В них положительные и отрицательные ионы располагаются в определённом порядке, образуя кристаллическую решётку.
На примере хлорида натрия можно увидеть, как положительные и отрицательные ионы чередуются в пространстве. Каждый ион окружён ближайшими ионами противоположного знака. Такое расположение обеспечивает устойчивость кристалла.
От чего зависит сила взаимодействия между ионами
Сила электростатического взаимодействия между ионами зависит прежде всего от их зарядов и расстояния между ними.
Заряд ионов. Чем больше заряды противоположных ионов, тем сильнее их электростатическое притяжение. Поэтому взаимодействие между Mg²⁺ и O²⁻ сильнее, чем между Na⁺ и Cl⁻.
Размер ионов. Чем меньше расстояние между центрами противоположно заряженных ионов, тем сильнее их притяжение. Например, при прочих сопоставимых условиях взаимодействие между Na⁺ и Cl⁻ сильнее, чем между K⁺ и Cl⁻, поскольку ион Na⁺ меньше иона K⁺.
Эти факторы влияют на свойства кристаллической решётки, в том числе на температуру плавления и твёрдость вещества.
Высокие температуры плавления
В ионных кристаллах между противоположно заряженными ионами действуют сильные электростатические взаимодействия. Поэтому для разрушения кристаллической решётки требуется значительное количество энергии.
Ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления. Например, хлорид натрия плавится примерно при 801 °C.
При дальнейшем нагревании расплав можно превратить в газ. Однако некоторые ионные соединения при сильном нагревании могут разлагаться, поэтому нельзя считать высокую температуру кипения универсальным свойством всех ионных веществ.
Твёрдость и хрупкость
Ионные кристаллы обычно твёрдые, потому что их частицы прочно удерживаются в кристаллической решётке.
При механическом воздействии слои ионов могут сместиться. Тогда рядом оказываются одноимённо заряженные ионы, между которыми возникают сильные силы отталкивания. В результате кристалл может расколоться.
Поэтому многие ионные кристаллы отличаются хрупкостью: вместо того чтобы деформироваться, они раскалываются.
Растворимость
Многие ионные соединения растворяются в воде, но не все. Например, хлорид натрия хорошо растворяется в воде, а карбонат кальция растворяется очень плохо.
Молекулы воды полярны: область около атома кислорода имеет частичный отрицательный заряд, а области около атомов водорода — частичный положительный заряд. Поэтому молекулы воды притягиваются к ионам: кислородная часть молекулы ориентируется к положительным ионам, а водородные части — к отрицательным.
При растворении молекулы воды окружают ионы и помогают отделить их от кристаллической решётки. Ионы переходят в раствор и получают возможность перемещаться.
Растворимость зависит от нескольких факторов, в том числе от прочности кристаллической решётки и от силы взаимодействия ионов с водой. Поэтому нельзя определить растворимость вещества только по зарядам или размерам его ионов.
Электропроводность
В твёрдом состоянии ионные соединения обычно не проводят электрический ток, потому что их ионы закреплены в кристаллической решётке и не могут свободно перемещаться.
В расплаве ионного соединения ионы получают возможность свободно перемещаться. Поэтому расплав проводит электрический ток.
При растворении ионного соединения в воде ионы также становятся подвижными и могут переносить электрический заряд. Поэтому растворы многих растворимых ионных соединений проводят электрический ток.
Ионная и ковалентная связь: где граница
Связи бывают разными, но граница условна
Ионная и ковалентная связи — это разные способы описания химического взаимодействия атомов. Однако в реальных веществах связь не всегда соответствует абсолютно чистой модели.
Ковалентная связь связана с образованием общих электронных пар, а ионная — с сильным электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов.
Между этими типами связи существует постепенный переход. Поэтому ионную и ковалентную связь не всегда можно строго разделить одной границей.
Для школьного курса удобно использовать простую модель: если электроны в основном переходят от одного атома к другому и образуются противоположно заряженные ионы, связь рассматривают как ионную.
Разность электроотрицательностей и характер связи
Разность электроотрицательностей (ΔЭО) помогает оценить характер химической связи.
При очень небольшой или нулевой разности электроотрицательностей связь обычно рассматривают как неполярную ковалентную. Например, связь Cl—Cl в молекуле Cl₂.
При заметной разности электроотрицательностей связь обычно рассматривают как полярную ковалентную. Например, связь H—Cl в молекуле HCl.
При большой разности электроотрицательностей связь может иметь преимущественно ионный характер. Например, связь в NaCl.
Числовое значение ΔЭО, при котором связь начинают относить к ионной, является условным ориентиром. Поэтому тип связи нельзя определять только по одному числу — важно учитывать строение и свойства конкретного вещества.
Ионные соединения в природе и технике
Ионы в живых организмах
Ионные соединения и отдельные ионы играют важную роль в жизнедеятельности организмов.
Например, ионы натрия, калия, кальция и хлора участвуют в работе клеток. Передача нервных сигналов связана с перемещением ионов через клеточные мембраны и изменением электрического потенциала мембраны.
Минеральная часть костей и зубов содержит соединения кальция и фосфата, в частности гидроксиапатит. Эти вещества придают костной ткани твёрдость и прочность.
Таким образом, значение ионов для организма связано не только с химическими связями внутри веществ, но и с их участием в различных процессах в клетках.
Ионные соединения в промышленности
Электролиз расплавов ионных соединений используется для получения некоторых химических элементов.
Например, при электролизе расплавленного хлорида натрия получают металлический натрий и хлор:
2NaCl → 2Na + Cl₂
Электролиз расплава оксида алюминия, проводимый в промышленности с использованием криолита для снижения температуры процесса и улучшения его условий, применяется для получения алюминия.
Ионные соединения в повседневной жизни
С ионными соединениями мы сталкиваемся каждый день. Например:
NaCl — хлорид натрия, поваренная соль;
NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, пищевая сода;
Na₂CO₃ — карбонат натрия, кальцинированная сода;
Ca(OH)₂ — гидроксид кальция, гашёная известь;
KAl(SO₄)₂·12H₂O — один из двойных сульфатов, известных как квасцы.
Ионные соединения используются в пищевой промышленности, строительстве, водоочистке, металлургии и других областях.
Заключение
Ионная связь — это химическая связь, обусловленная электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов. В простейшей модели её образование можно представить как перенос электронов от одного атома к другому с образованием катионов и анионов.
В твёрдых ионных соединениях ионы располагаются в определённом порядке и образуют кристаллическую решётку. Такое строение объясняет многие характерные свойства ионных веществ: высокие температуры плавления, твёрдость, хрупкость и отсутствие электропроводности в твёрдом состоянии. В расплавах и водных растворах ионы становятся подвижными, поэтому такие системы проводят электрический ток.
Изучая ионную связь, мы видим важный принцип химии: строение вещества определяет его свойства. Чтобы понять, почему соль твёрдая, хрупкая и проводит ток в растворе, достаточно проследить путь от электронного строения атомов к образованию ионов, а затем — к их взаимодействию в веществе.
Комментарии