WIĄZANIE JONOWE: CHARAKTERYSTYKA, SPOSÓB POWSTAWANIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Wiązanie jonowe to typ wiązania chemicznego, w którym nie jest elektrostatyczne przyciąganie pomiędzy przeciwnie naładowanymi jonami. Oznacza to, że dodatnio naładowany jon tworzy wiązanie z ujemnie naładowanym jonem, przenosząc elektrony z jednego atomu na drugi.

Ten typ wiązania chemicznego występuje, gdy elektrony walencyjne z jednego atomu są trwale przenoszone na inny atom. Atom, który traci elektrony, staje się kationem (naładowany dodatnio), a ten, który zyskuje elektrony, staje się anionem (naładowany ujemnie).

Przykład wiązania jonowego: fluorek sodu. Sód traci jeden elektron walencyjny i oddaje go do fluoru. Wdcf

Koncepcja wiązania jonowego

Wiązanie jonowe to takie, w którym naładowane elektrycznie cząstki, zwane jonami, oddziałują, tworząc jonowe ciała stałe i ciecze. To wiązanie jest wynikiem oddziaływań elektrostatycznych między setkami milionów jonów i nie ogranicza się tylko do kilku z nich; to znaczy wykracza poza przyciąganie między ładunkiem dodatnim a ładunkiem ujemnym.

Weźmy na przykład związek jonowy, chlorek sodu, NaCl, lepiej znany jako sól kuchenna. W NaCl dominuje wiązanie jonowe, więc składa się z jonów Na ⁺ i Cl ^- . Na ⁺ jest jonem dodatnim lub kationem, podczas gdy Cl ^- (chlorek) jest jonem ujemnym lub anionem.

Jony Na + i Cl- w chlorku sodu są utrzymywane razem przez wiązanie jonowe. Źródło: Eyal Bairey za pośrednictwem Wikipedii.

Zarówno Na ^{+, jak} i Cl ^- przyciąga istnienie o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Odległości między tymi jonami pozwalają innym zbliżyć się do siebie, tak że pojawiają się pary i pary NaCl. Kationy Na ⁺ będą się odpychać, ponieważ mają równe ładunki i to samo dzieje się z anionami Cl ^- .

Nadchodzi czas, kiedy miliony jonów Na ⁺ i Cl ^- jednoczą się, łączą, tworząc strukturę, która jest tak stabilna, jak to tylko możliwe; jeden zarządzany przez wiązanie jonowe (górne zdjęcie). Kationy Na ⁺ są mniejsze niż aniony Cl ^- ze względu na rosnącą efektywną siłę jądrową ich jądra na zewnętrzne elektrony.

Jonowe wiązanie NaCl. Rhannosh / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Wiązanie jonowe charakteryzuje się ustaleniem uporządkowanych struktur, w których odległość między jonami (Na ⁺ i Cl ^- w przypadku NaCl) jest niewielka w porównaniu z innymi ciałami stałymi. Mówimy więc o jonowej strukturze krystalicznej.

Jak powstaje wiązanie jonowe?

Wiązanie jonowe zachodzi tylko wtedy, gdy występuje taki rozkład elektronów, że powstają ładunki jonów. Ten rodzaj wiązania nie może nigdy wystąpić między neutralnymi cząstkami. Koniecznie muszą istnieć kationy i aniony. Ale skąd one pochodzą?

Ilustracja wiązań jonowych. a) Sód ma ujemny ładunek netto. b) Sód oddaje elektron do chloru. Sód pozostaje z dodatnim ładunkiem netto, a chlor z ujemnym ładunkiem netto, generując wiązanie jonowe. Ten rodzaj wiązania między milionami atomów Na i Cl powoduje powstanie soli fizycznej. OpenStax College / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

Jony powstają na wiele sposobów, ale zasadniczo wiele z nich opiera się na reakcji utleniania i redukcji. Większość nieorganicznych związków jonowych składa się z pierwiastka metalicznego związanego z pierwiastkiem niemetalicznym (te w bloku p układu okresowego).

Metal musi się utleniać, tracić elektrony, aby stać się kationem. Z drugiej strony pierwiastek niemetaliczny ulega redukcji, zyskuje te elektrony i staje się anionem. Poniższy obraz ilustruje ten punkt tworzenia NaCl z atomów sodu i chloru:

Tworzenie wiązania jonowego. Źródło: Shafei w arabskiej Wikipedii / domenie publicznej

Atom Na przekazuje jeden ze swoich elektronów walencyjnych do Cl. Kiedy następuje taki rozkład elektronów, powstają jony Na ⁺ i Cl ^- , które natychmiast zaczynają się przyciągać elektrostatycznie.

Dlatego mówi się, że Na ⁺ i Cl ^- nie mają wspólnych par elektronów, w przeciwieństwie do tego, czego można by się spodziewać po hipotetycznym wiązaniu kowalencyjnym Na-Cl.

Właściwości wiązań jonowych

Wiązanie jonowe jest bezkierunkowe, to znaczy, że jego siła nie występuje w jednym kierunku, ale raczej rozchodzi się w przestrzeni jako funkcja odległości, które rozdzielają jony. Fakt ten jest ważny, ponieważ oznacza, że ​​jony są silnie związane, co wyjaśnia kilka właściwości fizycznych jonowych ciał stałych.

Temperatura topnienia

Wiązanie jonowe jest odpowiedzialne za topienie się soli w temperaturze 801 ºC. Ta temperatura jest znacznie wyższa w porównaniu z temperaturami topnienia różnych metali.

Dzieje się tak, ponieważ NaCl musi wchłonąć wystarczająco dużo ciepła, aby jego jony zaczęły swobodnie wypływać z kryształów; to znaczy, należy przezwyciężyć przyciąganie między Na ⁺ i Cl ^- .

Temperatura wrzenia

Temperatury topnienia i wrzenia związków jonowych są szczególnie wysokie ze względu na ich silne oddziaływania elektrostatyczne: ich wiązania jonowe. Ponieważ jednak to wiązanie obejmuje wiele jonów, to zachowanie jest zwykle przypisywane raczej siłom międzycząsteczkowym, a nie wiązaniu jonowemu.

W przypadku soli po stopieniu się NaCl otrzymuje się ciecz złożoną z tych samych jonów początkowych; dopiero teraz poruszają się swobodniej. Wiązanie jonowe jest nadal obecne. Jony Na ⁺ i Cl ^- spotykają się na powierzchni cieczy, tworząc wysokie napięcie powierzchniowe, które zapobiega ucieczce jonów do fazy gazowej.

Dlatego stopiona sól musi jeszcze bardziej podnieść temperaturę, aby wrzeć. Temperatura wrzenia NaCl wynosi 1465 ° C. W tej temperaturze ciepło przekracza siłę przyciągania między Na ⁺ i Cl ^- w cieczy, więc opary NaCl zaczynają się formować przy ciśnieniu równym ciśnieniu atmosferycznemu.

Elektroujemność

Wcześniej powiedziano, że wiązanie jonowe powstaje między pierwiastkiem metalowym a pierwiastkiem niemetalicznym. Krótko mówiąc: między metalem a niemetalem. Dzieje się tak zwykle w przypadku nieorganicznych związków jonowych; zwłaszcza te typu binarnego, takie jak NaCl.

Aby wystąpił podział elektronów (Na ⁺ Cl ^- ), a nie współdzielenie (Na-Cl), musi istnieć duża różnica w elektroujemności między dwoma atomami. W przeciwnym razie nie byłoby wiązania jonowego między nimi dwoma. Możliwe, że Na i Cl zbliżają się, oddziałują, ale Cl natychmiast, ze względu na swoją wyższą elektroujemność, „bierze” elektron z Na.

Jednak ten scenariusz dotyczy tylko związków binarnych MX, takich jak NaCl. W przypadku innych soli lub związków jonowych procesy ich tworzenia są bardziej skomplikowane i nie można do nich podejść z czysto atomowej lub molekularnej perspektywy.

Rodzaje

Nie ma różnych typów wiązań jonowych, ponieważ zjawisko elektrostatyczne jest czysto fizyczne i różni się jedynie sposobem interakcji jonów lub liczbą posiadanych przez nie atomów; to znaczy, jeśli są to jony jednoatomowe lub wieloatomowe. Podobnie, każdy pierwiastek lub związek tworzy charakterystyczny jon, który definiuje naturę związku.

W sekcji przykładów zagłębimy się w ten punkt i zobaczymy, że wiązanie jonowe jest zasadniczo takie samo we wszystkich związkach. Gdy to nie jest spełnione, mówi się, że wiązanie jonowe ma pewien charakter kowalencyjny, co ma miejsce w przypadku wielu soli metali przejściowych, w których aniony koordynują się z kationami; na przykład FeCl ₃ (Fe ³⁺ -Cl ^- ).

Przykłady wiązań jonowych

Kilka związków jonowych zostanie wymienionych poniżej, a ich jony i proporcje zostaną wyróżnione:

- Chlorek magnezu

MgCl ₂ , (Mg ²⁺ Cl ^- ), w stosunku 1: 2 (Mg ²⁺ : 2 Cl ^- )

- fluorek potasu

KF, (K ⁺ F ^- ), w stosunku 1: 1 (K ⁺ : F ^- )

- Siarczek sodu

Na ₂ S, (Na ⁺ S ^2- ), w stosunku 2: 1 (2Na ⁺ : S ^2- )

- Wodorotlenek litu

LiOH, (Li ⁺ OH ^- ), w stosunku 1: 1 (Li ⁺ : OH ^- )

- Fluorek wapnia

CaF ₂ , (Ca ²⁺ F ^- ), w stosunku 1: 2 (Ca ²⁺ : 2F ^- )

- Węglan sodu

Na ₂ CO ₃ , (Na ⁺ CO ₃ ^2- ), w stosunku 2: 1 (2Na ⁺ : CO ₃ ^2- )

- Węglan wapnia

CaCO ₃ , (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), w stosunku 1: 1 (Ca ²⁺ : CO ₃ ^2- )

- Nadmanganian potasu

KMnO ₄ , (K ⁺ MnO ₄ ^- ), w stosunku 1: 1 (K ⁺ : MnO ₄ ^- )

- Siarczan miedzi

CuSO ₄ , (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), w stosunku 1: 1 (Cu ²⁺ : SO ₄ ^2- )

- Wodorotlenek baru

Ba (OH) ₂ , (Ba ²⁺ OH ^- ), w stosunku 1: 2 (Ba ²⁺ : OH ^- )

- Bromek glinu

AlBr ₃ , (Al ³⁺ Br ^- ), w stosunku 1: 3 (Al ³⁺ : 3Br ^- )

- tlenek żelaza (III)

Fe ₂ O ₃ , (Fe ³⁺ O ^2- ), w stosunku 2: 3 (2Fe ³⁺ : 3O ^2- )

- Tlenek strontu

SrO, (Sr ²⁺ O ^2- ), w stosunku 1: 1 (Sr ²⁺ : O ^2- )

- chlorek srebra

AgCl, (Ag ⁺ Cl ^- ), w stosunku 1: 1 (Ag ⁺ : Cl ^- )

- Inni

-CH ₃ COONa, (CH ₃ COO ^- Na ⁺ ), w stosunku 1: 1 (CH ₃ COO ^- : Na ⁺ )

- NH ₄ I, (NH ₄ ⁺ I ^- ), w stosunku 1: 1 (NH ₄ ⁺ : I ^- )

Każdy z tych związków ma wiązanie jonowe, w którym miliony jonów, odpowiadających ich wzorom chemicznym, są przyciągane elektrostatycznie i tworzą ciało stałe. Im większa wielkość jego ładunków jonowych, tym silniejsze przyciąganie i odpychanie elektrostatyczne.

Dlatego wiązanie jonowe jest zwykle silniejsze, im większe są ładunki jonów, które tworzą związek.

Rozwiązane ćwiczenia

Oto kilka ćwiczeń, które wykorzystują w praktyce podstawową wiedzę o wiązaniu jonowym.

- Ćwiczenie 1

Który z poniższych związków jest jonowy? Dostępne opcje to: HF, H ₂ O, NaH, H ₂ S, NH ₃ i MgO.

Związek jonowy z definicji musi mieć wiązanie jonowe. Im większa różnica elektroujemności między jego elementami składowymi, tym większy charakter jonowy tego wiązania.

Dlatego opcje, które nie mają elementu metalicznego, są zasadniczo wykluczone: HF, H ₂ O, H ₂ S i NH ₃ . Wszystkie te związki składają się wyłącznie z elementów niemetalicznych. Wyjątkiem od tej reguły jest kation NH ₄ ⁺ , który nie zawiera metali.

Pozostałe opcje to NaH i MgO, w których metale odpowiednio Na i Mg są połączone z elementami niemetalicznymi. NaH (Na ⁺ H ^- ) i MgO (Mg ²⁺ O ^2- ) to związki jonowe.

- Ćwiczenie 2

Rozważmy następujący hipotetyczny związek: Ag (NH ₄ ) ₂ CO ₃ I. Jakie są jego jony iw jakiej proporcji znajdują się w ciele stałym?

Rozkładając związek na jony otrzymujemy: Ag ⁺ , NH ₄ ⁺ , CO ₃ ^2- i I ^- . Są one łączone elektrostatycznie w stosunku 1: 2: 1: 1 (Ag ⁺ : 2NH ₄ ⁺ : CO ₃ ^2- : I ^- ). Oznacza to, że ilość kationów NH ₄ ⁺ jest dwukrotnie większa niż jonów Ag ⁺ , CO ₃ ^2- i I ^- .

- Ćwiczenie 3

KBr składa się z jonów K ⁺ i Br ^- o określonej wielkości ładunku. Następnie, CAS posiada Ca ²⁺ i S ^2- jony , z opłatami podwójnej wielkości, więc może się wydawać, że jonowe wiązanie w CaS jest silniejsze niż w KBr; a także silniejszy niż Na ₂ SO ₄ , ponieważ ten ostatni składa się z jonów Na ⁺ i SO ₄ ^2- .

Zarówno CaS, jak i CuO mogą mieć równie silne wiązanie jonowe, ponieważ oba zawierają jony o ładunkach o podwójnej wielkości. Następnie mamy AlPO ₄ z jonami Al ³⁺ i PO ₄ ^3- . Jony te mają ładunki potrójnej wielkości, więc wiązanie jonowe w AlPO ₄ powinno być silniejsze niż we wszystkich poprzednich opcjach.

I wreszcie zwycięzca Pb ₃ P ₄ , ponieważ jeśli założymy, że składa się z jonów, stają się one Pb ⁴⁺ i P ^3- . Ich ładunki mają największe rozmiary; i dlatego Pb ₃ P ₄ jest związkiem, który prawdopodobnie ma najsilniejsze wiązanie jonowe.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2020). Wiązanie jonowe. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 lutego 2020). Wiązania jonowe a kowalencyjne - Zrozum różnicę. Odzyskany z: thinkco.com
5. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (31 stycznia 2020). Wiązanie jonowe. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
6. Słownik Chemicool. (2017). Definicja wiązania jonowego. Źródło: chemicool.com