7.1: Йонната връзка
умения за развитие
- Обяснете образуването на катиони, аниони и йонни съединения.
- Предскажете заряда на често срещаните метални и неметални елементи и напишете техните електронни конфигурации
Както разбрахте, йони са атоми или молекули, които носят електрически заряд. Катион (положителен йон) се образува, когато неутрален атом загуби един или повече електрони от валентната си обвивка, а анион (отрицателен йон) се образува, когато неутрален атом спечели един или повече електрони от своята валентна обвивка.
Съединенията, направени от йони, се наричат йонни съединения (или соли) и съставните им йони се задържат заедно чрез йонни връзки - електростатични сили на привличане между катиони и аниони с противоположен заряд. Свойствата на йонните съединения хвърлят малко светлина върху природата на йонните връзки. Йонните твърди вещества имат кристална структура и са склонни да бъдат твърди и чупливи; те също са склонни да имат високи точки на топене и кипене, което предполага, че йонните връзки са много силни. Йонните твърди тела също са лоши проводници на електричество по същата причина: силата на йонните връзки предотвратява свободното движение на йоните в твърдо състояние. Повечето йонни твърди вещества обаче се разтварят лесно във вода. Веднъж разтворени или разтопени, йонните съединения са отлични проводници на електричество и топлина, защото йоните могат да се движат свободно.
Неутралните атоми и свързаните с тях йони имат много различни физични и химични свойства. Натриевите атоми образуват натриев метал, мек, сребристо бял метал, който енергично гори във въздуха и реагира експлозивно с вода. Хлорните атоми образуват хлорен газ, Cl2, зелено-жълт газ, който е изключително корозивен за повечето метали и силно отровен за животните и растенията. Енергичната реакция между елементите натрий и хлор образува бялото, кристално съединение на натриев хлорид, обикновено наричано трапезна сол, което съдържа натриеви катиони и хлоридни аниони (Фигура \ (\ PageIndex \)). Съединението, получено от тези йони, показва напълно различни свойства от свойствата на елементите натрий и хлор. Хлорът е отровен, но натриевият хлорид е от съществено значение за живота; натриевите атоми реагират енергично с вода, но натриевият хлорид просто се разтваря във вода.
Образуването на йонни съединения
Бинарните йонни съединения се състоят само от два елемента: метал (който образува катиони) и неметал (който образува аниони). Например NaCl е двоично йонно съединение. Можем да мислим за образуването на такива съединения от гледна точка на периодичните свойства на елементите. Много метални елементи имат относително нисък йонизационен потенциал и лесно губят електрони. Тези елементи се намират вляво в период или близо до дъното на група в периодичната таблица. Неметалните атоми имат относително висок електронен афинитет и по този начин лесно получават електроните, загубени от металните атоми и по този начин запълват валентните си черупки. Неметални елементи се намират в горния десен ъгъл на периодичната таблица.
Тъй като всички вещества трябва да са електрически неутрални, общият брой положителни заряди върху катионите на йонно съединение трябва да е равен на общия брой отрицателни заряди върху неговите аниони. Формулата за йонно съединение представлява най-простото съотношение на броя йони, необходими за даване на еднакъв брой положителни и отрицателни заряди. Например формулата за алуминиев оксид, Al2O3, показва, че това йонно съединение съдържа два алуминиеви катиона, Al 3+ за всеки три оксидни аниона, O 2− [по този начин, (2 × +3) + (3 × –2) = 0] .
Важно е обаче да се отбележи, че формулата за йонно съединение не представлява физическото подреждане на неговите йони. Неправилно е да се говори за „молекула“ на натриев хлорид (NaCl), тъй като няма нито една йонна връзка като такава между която и да е двойка натриеви и хлоридни йони. Привлекателните сили между йоните са изотропни, еднакви във всички посоки, което означава, че всеки конкретен йон е еднакво привлечен от всички близки йони с противоположен заряд. Това води до подреждането на йони в плътно свързана триизмерна решетъчна структура. Натриевият хлорид например се състои от редовно подреждане на равен брой катиони Na + и Cl - аниони (Фигура \ (\ PageIndex \)).