ИОННАЯ СВЯЗЬ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ОНА ОБРАЗУЕТСЯ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2025

Ионная связь представляет собой тип химической связи , в котором находится электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. То есть положительно заряженный ион образует связь с отрицательно заряженным ионом, передавая электроны от одного атома к другому.

Этот тип химической связи возникает, когда валентные электроны от одного атома навсегда передаются другому атому. Атом, теряющий электроны, становится катионом (положительно заряженным), а тот, который получает электроны, становится анионом (отрицательно заряженным).

Пример ионной связи: фторид натрия. Натрий теряет один валентный электрон и отдает его фтору. Wdcf

Концепция ионной связи

Ионная связь - это связь, с помощью которой электрически заряженные частицы, называемые ионами, взаимодействуют с образованием ионных твердых тел и жидкостей. Эта связь является продуктом электростатических взаимодействий между сотнями миллионов ионов и не ограничивается лишь парой из них; то есть это выходит за рамки притяжения между положительным зарядом к отрицательному.

Рассмотрим, например, ионное соединение хлорида натрия, NaCl, более известное как поваренная соль. В NaCl преобладает ионная связь, поэтому она состоит из ионов Na ⁺ и Cl ^- . Na ⁺ - это положительный ион или катион, а Cl ^- (хлорид) - отрицательный ион или анион.

Ионы Na + и Cl- в хлориде натрия удерживаются вместе за счет ионной связи. Источник: Эяль Байрей через Википедию.

И Na ^+, и Cl ^- имеют противоположные электрические заряды. Расстояния между этими ионами позволяют другим сближаться, так что появляются пары и пары NaCl. Катионы Na ⁺ будут отталкивать друг друга, потому что они имеют одинаковые заряды, и то же самое происходит друг с другом с анионами Cl ^- .

Приходит время, когда миллионам ионов Na ⁺ и Cl ^- удается объединиться, объединиться, чтобы создать максимально стабильную структуру; один регулируется ионной связью (верхнее изображение). Катионы Na ⁺ меньше анионов Cl ^- из-за возрастающей эффективной ядерной силы их ядра на внешние электроны.

Ионная связь NaCl. Раннош / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ионная связь характеризуется созданием упорядоченных структур, в которых расстояние между ионами (Na ⁺ и Cl ^- в случае NaCl) мало по сравнению с другими твердыми телами. Итак, мы говорим об ионной кристаллической структуре.

Как образуется ионная связь?

Ионная связь имеет место только в том случае, если происходит распределение электронов так, что возникают заряды ионов. Такого типа связи между нейтральными частицами быть не может. Обязательно должны быть катионы и анионы. Но откуда они?

Иллюстрация ионной связи. а) Натрий имеет чистый отрицательный заряд. б) Натрий отдает электрон хлору. Натрий остается с чистым положительным зарядом, а хлор с чистым отрицательным зарядом, образуя ионную связь. Этот тип связи между миллионами атомов Na и Cl дает начало физической соли. Колледж OpenStax / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Есть много путей, по которым образуются ионы, но по существу многие из них основаны на реакции окисления-восстановления. Большинство неорганических ионных соединений состоят из металлического элемента, связанного с неметаллическим элементом (в блоке p периодической таблицы).

Металл должен окисляться, терять электроны, чтобы стать катионом. С другой стороны, неметаллический элемент восстанавливается, приобретает эти электроны и становится анионом. Следующее изображение иллюстрирует эту точку образования NaCl из атомов натрия и хлора:

Образование ионной связи. Источник: Shafei в арабской Википедии / общественное достояние

Атом Na отдает один из своих валентных электронов Cl. Когда происходит такое распределение электронов, образуются ионы Na ⁺ и Cl ^- , которые немедленно начинают притягиваться друг к другу электростатически.

Поэтому говорят, что Na ⁺ и Cl ^- не имеют общих пар электронов, в отличие от того, что можно было бы ожидать от гипотетической ковалентной связи Na-Cl.

Свойства ионной связи

Ионная связь является ненаправленной, то есть ее сила не присутствует в одном направлении, а скорее распространяется в пространстве как функция расстояний, разделяющих ионы. Этот факт важен, так как означает, что ионы прочно связаны, что объясняет некоторые физические свойства ионных твердых тел.

Температура плавления

Ионная связь отвечает за плавление соли при температуре 801 ºC. Эта температура значительно выше по сравнению с температурами плавления различных металлов.

Это потому, что NaCl должен поглощать достаточно тепла, чтобы его ионы начали свободно вытекать из кристаллов; то есть притяжение между Na ⁺ и Cl ^- должно быть преодолено .

Точка кипения

Температуры плавления и кипения ионных соединений особенно высоки из-за их сильного электростатического взаимодействия: их ионной связи. Однако, поскольку в этой связи участвует много ионов, такое поведение обычно приписывают скорее межмолекулярным силам, а не ионной связи.

В случае соли, как только NaCl расплавится, получается жидкость, состоящая из тех же исходных ионов; только теперь они передвигаются более свободно. Ионная связь все еще присутствует. Ионы Na ⁺ и Cl ^- встречаются на поверхности жидкости, чтобы создать высокое поверхностное натяжение, которое предотвращает выход ионов в газовую фазу.

Поэтому расплав соли должен еще больше повысить свою температуру, чтобы закипеть. Температура кипения NaCl - 1465 ° C. При этой температуре тепло превышает притяжение между Na ⁺ и Cl ^- в жидкости, поэтому пары NaCl начинают образовываться с давлением, равным атмосферному.

Электроотрицательность

Ранее было сказано, что ионная связь образуется между металлическим элементом и неметаллическим элементом. Короче: между металлом и неметаллом. Обычно это относится к неорганическим ионным соединениям; особенно бинарного типа, например NaCl.

Чтобы произошло разделение электронов (Na ⁺ Cl ^- ), а не разделение (Na-Cl), должна быть большая разница в электроотрицательности между двумя атомами. В противном случае между ними не было бы ионной связи. Возможно, Na и Cl сближаются, взаимодействуют, но сразу же Cl из-за своей более высокой электроотрицательности «забирает» электрон у Na.

Однако этот сценарий применим только к бинарным соединениям MX, таким как NaCl. Для других солей или ионных соединений процессы их образования более сложны и не могут быть рассмотрены с чисто атомной или молекулярной точки зрения.

Типы

Не существует различных типов ионных связей, поскольку электростатический феномен является чисто физическим и меняет только способ взаимодействия ионов или количество атомов, которыми они обладают; то есть, если они одноатомные или многоатомные ионы. Точно так же каждый элемент или соединение порождает характерный ион, который определяет природу соединения.

В разделе примеров мы углубимся в этот момент, и будет видно, что ионная связь по существу одинакова во всех соединениях. Когда это не выполняется, говорят, что ионная связь имеет определенный ковалентный характер, что характерно для многих солей переходных металлов, где анионы координируются с катионами; например, FeCl ₃ (Fe ³⁺ -Cl ^- ).

Примеры ионных связей

Ниже будут перечислены несколько ионных соединений, и их ионы и пропорции будут выделены:

- Хлорид магния

MgCl ₂ , (Mg ²⁺ Cl ^- ), в соотношении 1: 2 (Mg ²⁺ : 2 Cl ^- )

- фторид калия

KF, (K ⁺ F ^- ), в соотношении 1: 1 (K ⁺ : F ^- )

- Сульфид натрия

Na ₂ S, (Na ⁺ S ^2- ), в соотношении 2: 1 (2Na ⁺ : S ^2- )

- Литогидроксид

LiOH, (Li ⁺ OH ^- ), в соотношении 1: 1 (Li ⁺ : OH ^- )

- фторид кальция

CaF ₂ , (Ca ²⁺ F ^- ), в соотношении 1: 2 (Ca ²⁺ : 2F ^- )

- Карбонат натрия

Na ₂ CO ₃ , (Na ⁺ CO ₃ ^2- ), в соотношении 2: 1 (2Na ⁺ : CO ₃ ^2- )

- Карбонат кальция

CaCO ₃ , (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), в соотношении 1: 1 (Ca ²⁺ : CO ₃ ^2- )

- Перманганат калия

KMnO ₄ , (K ⁺ MnO ₄ ^- ), в соотношении 1: 1 (K ⁺ : MnO ₄ ^- )

- Сульфат меди

CuSO ₄ , (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), в соотношении 1: 1 (Cu ²⁺ : SO ₄ ^2- )

- гидроксид бария

Ba (OH) ₂ , (Ba ²⁺ OH ^- ), в соотношении 1: 2 (Ba ²⁺ : OH ^- )

- бромид алюминия

AlBr ₃ , (Al ³⁺ Br ^- ), в соотношении 1: 3 (Al ³⁺ : 3Br ^- )

- оксид железа (III)

Fe ₂ O ₃ , (Fe ³⁺ O ^2- ), в соотношении 2: 3 (2Fe ³⁺ : 3O ^2- )

- оксид стронция

SrO, (Sr ²⁺ O ^2- ), в соотношении 1: 1 (Sr ²⁺ : O ^2- )

- хлорид серебра

AgCl, (Ag ⁺ Cl ^- ), в соотношении 1: 1 (Ag ⁺ : Cl ^- )

- другие

-CH ₃ COONa, (CH ₃ COO ^- Na ⁺ ), в соотношении 1: 1 (CH ₃ COO ^- : Na ⁺ )

- NH ₄ I, (NH ₄ ⁺ I ^- ), в соотношении 1: 1 (NH ₄ ⁺ : I ^- )

Каждое из этих соединений имеет ионную связь, где миллионы ионов, соответствующие их химическим формулам, электростатически притягиваются и образуют твердое тело. Чем больше величина его ионных зарядов, тем сильнее электростатическое притяжение и отталкивание.

Следовательно, ионная связь имеет тенденцию тем сильнее, чем больше заряды на ионах, составляющих соединение.

Решенные упражнения

Вот несколько упражнений, которые претворяют в жизнь базовые знания об ионной связи.

- Упражнение 1

Какое из следующих соединений является ионным? Возможные варианты: HF, H ₂ O, NaH, H ₂ S, NH ₃ и MgO.

Ионное соединение по определению должно иметь ионную связь. Чем больше разность электроотрицательностей между составляющими его элементами, тем выше ионный характер указанной связи.

Поэтому варианты, не содержащие металлического элемента, в принципе исключаются: HF, H ₂ O, H ₂ S и NH ₃ . Все эти соединения состоят только из неметаллических элементов. Катион NH ₄ ⁺ является исключением из этого правила, так как не содержит металлов.

Остальные варианты - это NaH и MgO, в которых металлы Na и Mg соответственно присоединены к неметаллическим элементам. NaH (Na ⁺ H ^- ) и MgO (Mg ²⁺ O ^2- ) являются ионными соединениями.

- Упражнение 2.

Рассмотрим следующее гипотетическое соединение: Ag (NH ₄ ) ₂ CO ₃ I. Каковы его ионы и в какой пропорции они находятся в твердом теле?

Разлагая соединение на ионы, мы получаем: Ag ⁺ , NH ₄ ⁺ , CO ₃ ^2- и I ^- . Они соединяются электростатически в соответствии с соотношением 1: 2: 1: 1 (Ag ⁺ : 2NH ₄ ⁺ : CO ₃ ^2- : I ^- ). Это означает, что количество катионов NH ₄ ⁺ вдвое превышает количество ионов Ag ⁺ , CO ₃ ^2- и I ^- .

- Упражнение 3

KBr состоит из ионов K ⁺ и Br ^- с величиной заряда. Кроме того, в CaS есть ионы Ca ²⁺ и S ^2- с двойным зарядом, поэтому можно подумать, что ионная связь в CaS сильнее, чем в KBr; а также сильнее, чем Na ₂ SO ₄ , поскольку последний состоит из ионов Na ⁺ и SO ₄ ^2- .

И CaS, и CuO могут иметь одинаково прочную ионную связь, поскольку оба они содержат ионы с двойным зарядом. Далее идет AlPO ₄ с ионами Al ³⁺ и PO ₄ ^3- . Эти ионы имеют заряды тройной величины, поэтому ионная связь в AlPO ₄ должна быть прочнее, чем во всех предыдущих вариантах.

И, наконец, у нас есть победитель Pb ₃ P ₄ , потому что, если мы предположим, что он состоит из ионов, они станут Pb ⁴⁺ и P ^3- . Их заряды имеют самые высокие величины; и, следовательно, Pb ₃ P ₄ - это соединение, которое, вероятно, имеет самую прочную ионную связь.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
3. Wikipedia. (2020). Ионная связь. Получено с: en.wikipedia.org
4. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (11 февраля 2020 г.). Ионные и ковалентные связи - поймите разницу. Получено с: thinkco.com
5. Редакторы энциклопедии Британника. (31 января 2020 г.). Ионная связь. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
6. Chemicool Dictionary. (2017). Определение ионной связи. Получено с: chemicool.com