ІОННИЙ ЗВ’ЯЗОК: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЯК ВІН ФОРМУЄТЬСЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Іонна зв'язок являє собою тип хімічного зв'язку , в якому знаходиться електростатичне тяжіння між протилежно зарядженими іонами. Тобто позитивно заряджений іон утворює зв’язок з негативно зарядженим іоном, переносячи електрони від одного атома до іншого.

Цей тип хімічного зв’язку виникає, коли валентні електрони з одного атома постійно переносяться на інший атом. Атом, який втрачає електрони, стає катіоном (позитивно зарядженим), а той, що набирає електрони, стає аніоном (негативно зарядженим).

Приклад іонного зв'язку: фторид натрію. Натрій втрачає один валентний електрон і віддає його фтору. Wdcf

Концепція іонних облігацій

Іонний зв’язок - це той, за допомогою якого електрично заряджені частинки, звані іонами, взаємодіють, створюючи іонні тверді речовини та рідини. Цей зв’язок є продуктом електростатичних взаємодій між сотнями мільйонів іонів і не обмежується лише парою з них; тобто воно виходить за межі потягу між позитивним зарядом до негативного заряду.

Розглянемо для прикладу іонну сполуку хлорид натрію NaCl, більш відомий як кухонна сіль. У NaCl переважає іонний зв’язок, тому він складається з іонів Na ⁺ та Cl ^- . Na ⁺ - позитивний іон або катіон, а Cl ^- (хлорид) - негативний іон або аніон.

Іони Na ​​+ та Cl-хлориду натрію утримуються разом іонним зв’язком. Джерело: Eyal Bairey через Wikipedia.

І Na ^+, і Cl ^- притягуються до того, що мають протилежні електричні заряди. Відстань між цими іонами дозволяє іншим зближуватися, так що з’являються пари і пари NaCl. Катіони Na ⁺ будуть відштовхувати один одного, оскільки вони мають однакові заряди, і те ж саме відбувається між собою з Cl ^- аніонами .

Настає час, коли мільйонам Na ⁺ і Cl ^- іонів вдається об'єднатися, об'єднатися, створити максимально стійку структуру; той, який регулюється іонним зв’язком (верхнє зображення). Катіони Na ⁺ менші, ніж Cl ^- аніони через збільшення ефективної ядерної сили їх ядра на зовнішні електрони.

Іонний зв’язок NaCl. Rhannosh / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Іонний зв’язок характеризується встановленням упорядкованих структур, де відстань між іонами (Na ⁺ та Cl ^- у випадку NaCl) невелика порівняно з відстаніми інших твердих тіл. Отже, ми говоримо про іонну кристалічну структуру.

Як утворюється іонний зв’язок?

Іонне зв’язування відбувається лише в тому випадку, якщо відбувається розподіл електронів, так що виникають заряди іонів. Цей тип зв’язку ніколи не може відбуватися між нейтральними частинками. Обов’язково повинні бути катіони та аніони. Але звідки вони беруться?

Ілюстрація іонічного зв'язку. а) Натрій має чистий негативний заряд. б) Натрій віддає електрон до хлору. Натрій залишається з чистим позитивним зарядом, а хлор з чистим негативним зарядом, генеруючи іонний зв’язок. Цей тип зв’язку між мільйонами атомів Na та Cl породжує фізичну сіль. OpenStax College / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Існує багато шляхів, за якими походять іони, але по суті багато засновані на реакції відновлення окислення. Більшість неорганічних іонних сполук складаються з металевого елемента, пов'язаного з неметалічним елементом (ті, що знаходяться в р-блоці періодичної таблиці).

Метал повинен окислюватися, втрачати електрони, щоб стати катіоном. З іншого боку, неметалічний елемент скорочується, набуває цих електронів і стає аніоном. Наведене нижче зображення ілюструє цей момент утворення NaCl з атомів натрію та хлору:

Утворення іонного зв’язку. Джерело: Shafei в арабській Вікіпедії / Public domain

Атом Na дарує Cl один із своїх валентних електронів, коли відбувається такий розподіл електронів, утворюються іони Na ⁺ та Cl ^- , які починають приваблювати один одного негайно та електростатично.

Тому кажуть, що Na ⁺ і Cl ^- не поділяють жодної пари електронів, на відміну від того, що можна очікувати для гіпотетичного ковалентного зв'язку Na-Cl.

Властивості іонного зв’язку

Іонний зв’язок не спрямований, тобто його сила не присутня в одному напрямку, а поширюється через простір як функція відстаней, які розділяють іони. Цей факт важливий, оскільки означає, що іони сильно пов'язані, що пояснює декілька фізичних властивостей іонних твердих тіл.

Точка плавлення

Іонний зв’язок відповідає за розплавлення солі при температурі 801 ° С. Ця температура значно висока порівняно з температурами плавлення різних металів.

Це тому, що NaCl повинен поглинати достатньо тепла, щоб його іони почали вільно витікати з його кристалів; тобто атракції між Na ⁺ та Cl ^- треба подолати .

Точка кипіння

Температури плавлення та кипіння іонних сполук особливо високі через їх сильну електростатичну взаємодію: їх іонне зв’язок. Однак, оскільки цей зв’язок включає багато іонів, таку поведінку зазвичай відносять до міжмолекулярних сил, а не належним чином до іонного зв’язку.

Що стосується солі, як тільки NaCl розплавиться, виходить рідина, що складається з тих же початкових іонів; тільки зараз вони рухаються вільніше. Іонний зв’язок все ще присутній. Іони Na ⁺ і Cl ^- зустрічаються на поверхні рідини, створюючи високий поверхневий натяг, що запобігає виходу іонів у газову фазу.

Тому розплавлена ​​сіль повинна ще більше підвищити свою температуру, щоб кипіти. Температура кипіння NaCl - 1465 ° C. При цій температурі тепло перевершує атракції між Na ⁺ і Cl ^- у рідині, тому пари NaCl починають утворюватися з тиском, рівним атмосферному.

Електронегативність

Раніше говорилося, що іонний зв’язок утворюється між металевим елементом і неметалічним елементом. Коротше кажучи: між металом і неметалом. Зазвичай це стосується неорганічних іонних сполук; особливо ті, що мають бінарний тип, наприклад NaCl.

Для того, щоб поділ електронів (Na ⁺ Cl ^- ) відбувався, а не ділився (Na-Cl), між двома атомами повинна бути велика різниця електронегативності. Інакше між ними не було б іонної зв'язку. Можливо, Na і Cl зближуються, взаємодіють, але негайно Cl, через свою більш високу електронегативність, «бере» електрон з Na.

Однак цей сценарій стосується лише бінарних сполук MX, таких як NaCl. Для інших солей або іонних сполук процеси їх утворення є більш складними і до них не можна звернутися з чисто атомної чи молекулярної точки зору.

Типи

Не існує різних типів іонних зв’язків, оскільки електростатичне явище суто фізичне, змінюється лише способом взаємодії іонів або кількістю атомів, якими вони володіють; тобто якщо вони є одноатомними або багатоатомними іонами. Так само кожен елемент або з'єднання породжує характерний іон, який визначає природу сполуки.

У розділі прикладів ми поглибимося в цю точку, і буде видно, що іонний зв’язок однаковий по суті у всіх сполуках. Коли це не виконується, кажуть, що іонний зв’язок має певний ковалентний характер, що стосується багатьох солей перехідних металів, де аніони координуються з катіонами; наприклад, FeCl ₃ (Fe ³⁺ -Cl ^- ).

Приклади іонних зв’язків

Нижче перелічено декілька іонних сполук, і їх іони та пропорції будуть виділені:

- Хлорид магнію

MgCl ₂ , (Mg ²⁺ Cl ^- ) у співвідношенні 1: 2 (Mg ²⁺ : 2 Cl ^- )

- Фторид калію

KF, (K ⁺ F ^- ), у співвідношенні 1: 1 (K ⁺ : F ^- )

- Сульфід натрію

Na ₂ S, (Na ⁺ S ^2- ) у співвідношенні 2: 1 (2Na ⁺ : S ^2- )

- гідроксид літо

LiOH, (Li ⁺ OH ^- ), у співвідношенні 1: 1 (Li ⁺ : OH ^- )

- фторид кальцію

CaF ₂ , (Са ²⁺ F ^- ) у співвідношенні 1: 2 (Са ²⁺ : 2Ф ^- )

- Карбонат натрію

Na ₂ CO ₃ , (Na ⁺ CO ₃ ^2- ), у співвідношенні 2: 1 (2Na ⁺ : CO ₃ ^2- )

- Кальцію карбонат

CaCO ₃ , (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ) у співвідношенні 1: 1 (Са ²⁺ : CO ₃ ^2- )

- Перманганат калію

KMnO ₄ , (K ⁺ MnO ₄ ^- ), у співвідношенні 1: 1 (K ⁺ : MnO ₄ ^- )

- Мідний купорос

CuSO ₄ , (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), у співвідношенні 1: 1 (Cu ²⁺ : SO ₄ ^2- )

- Барій гідроксид

Ba (OH) ₂ , (Ba ²⁺ OH ^- ), у співвідношенні 1: 2 (Ba ²⁺ : OH ^- )

- Бромід алюмінію

AlBr ₃ , (Al ³⁺ Br ^- ), у співвідношенні 1: 3 (Al ³⁺ : 3Br ^- )

- залізний (III) оксид

Fe ₂ O ₃ , (Fe ³⁺ O ^2- ) у співвідношенні 2: 3 (2Fe ³⁺ : 3O ^2- )

- Оксид стронцію

SrO, (Sr ²⁺ O ^2- ), у співвідношенні 1: 1 (Sr ²⁺ : O ^2- )

- Хлорид срібла

AgCl, (Ag ⁺ Cl ^- ) у співвідношенні 1: 1 (Ag ⁺ : Cl ^- )

- Інші

-CH ₃ COONa, (CH ₃ COO ^- Na ⁺ ) у співвідношенні 1: 1 (CH ₃ COO ^- : Na ⁺ )

- NH ₄ I, (NH ₄ ⁺ I ^- ), у співвідношенні 1: 1 (NH ₄ ⁺ : I ^- )

Кожна з цих сполук має іонний зв’язок, де мільйони іонів, що відповідають їх хімічним формулам, електростатично притягуються та утворюють тверде тіло. Чим більше величина його іонних зарядів, тим сильніше електростатичні притягання та відштовхування.

Отже, іонний зв’язок, як правило, сильніший, чим більше заряди на іони, що складають сполуку.

Розв’язані вправи

Ось кілька вправ, які реалізують на практиці основні знання іонного зв’язку.

- Вправа 1

Яка з наведених сполук є іонною? Варіанти: HF, H ₂ O, NaH, H ₂ S, NH ₃ і MgO.

Іонна сполука за визначенням повинна мати іонний зв’язок. Чим більша різниця електронегативності між його складовими елементами, тим більший іонний характер зазначеного зв’язку.

Тому в принципі виключаються варіанти, які не мають металевого елемента: HF, H ₂ O, H ₂ S і NH ₃ . Усі ці сполуки складаються лише з неметалічних елементів. Катіон NH ₄ ⁺ є винятком з цього правила, оскільки в ньому немає металів.

Решта варіантів - NaH та MgO, у яких метали Na та Mg відповідно прикріплені до неметалічних елементів. NaH (Na ⁺ H ^- ) і MgO (Mg ²⁺ O ^2- ) є іонними сполуками.

- Вправа 2

Розглянемо таку гіпотетичну сполуку: Ag (NH ₄ ) ₂ CO ₃ I. Які є її іони та в якій пропорції вони містяться у твердому тілі?

Розкладаючи сполуку на її іони, ми маємо: Ag ⁺ , NH ₄ ⁺ , CO ₃ ^2- і I ^- . Вони з'єднуються електростатично, дотримуючись співвідношення 1: 2: 1: 1 (Ag ⁺ : 2NH ₄ ⁺ : CO ₃ ^2- : I ^- ). Це означає, що кількість катіонів NH ₄ ⁺ вдвічі більше, ніж іонів Ag ⁺ , CO ₃ ^2- та I ^- .

- Вправа 3

KBr складається з K ⁺ і Br ^- іонів з величиною заряду. Тоді CaS володіє іонами Ca ²⁺ і S ^2- з зарядами подвійної величини, тому можна було б думати, що іонний зв’язок у CaS сильніший, ніж у KBr; а також сильніше, ніж Na ₂ SO ₄ , оскільки останній складається з іонів Na ⁺ і SO ₄ ^2- .

І CaS, і CuO можуть мати однаково сильний іонний зв’язок, оскільки обидва містять іони з подвійними зарядними величинами. Далі ми маємо AlPO ₄ з Al ³⁺ та PO ₄ ^3- іонами . Ці іони мають потрійну величину зарядів, тому іонний зв’язок в AlPO ₄ повинен бути сильнішим, ніж у всіх попередніх варіантах.

І нарешті, у нас є переможець Pb ₃ P ₄ , тому що якщо припустити, що він складається з іонів, вони стають Pb ⁴⁺ і P ^3- . Їх заряди мають найвищі величини; і тому Pb ₃ P ₄ є сполукою, яка, ймовірно, має найсильніший іонний зв’язок.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
3. Вікіпедія. (2020). Іонне склеювання. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (11 лютого 2020 р.). Іонні проти ковалентних облігацій - зрозумійте різницю. Відновлено з: thinkco.com
5. Редактори Encyclopeedia Britannica. (31 січня 2020 р.). Іонний зв’язок. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
6. Хімічний словник. (2017). Визначення іонного зв'язку. Відновлено з: chemicool.com