Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.8: Формули іонних сполук

  • Page ID
    21638
    • Anonymous
    • LibreTexts
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Напишіть хімічну формулу простого іонного з'єднання на основі зарядів катіонів і аніонів в з'єднанні.

    У кожній іонній сполуці загальна кількість позитивних зарядів катіонів дорівнює загальній кількості негативних зарядів аніонів. Таким чином, іонні сполуки в цілому електрично нейтральні, хоча вони містять позитивні і негативні іони. Ми можемо використовувати це спостереження, щоб допомогти нам написати формулу іонної сполуки. Формула іонного з'єднання повинна мати співвідношення іонів таке, щоб числа позитивних і негативних зарядів були рівними.

    Іонні сполуки, утворені з одноатомних іонів

    Розглянемо атом Na в присутності атома Cl. Два атоми мають ці електронні точкові діаграми Льюїса та електронні конфігурації:

    \[\mathbf{Na\, \cdot }\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \mathbf{\cdot }\mathbf{\ddot{\underset{.\: .}Cl}}\mathbf{\: :}\nonumber \]

    \[\left [ Ne \right ]3s^{1}\; \; \; \; \left [ Ne \right ]3s^{2}3p^{5}\nonumber \]

    Щоб атом Na отримав октет, він повинен втратити електрон; щоб атом Cl отримав октет, він повинен отримати електрон. Електрон переноситься від атома Na до атома Cl:

    \[\mathbf{Na\, \cdot }\curvearrowright \mathbf{\cdot }\mathbf{\ddot{\underset{.\: .}Cl}}\mathbf{\: :}\nonumber \]

    в результаті чого два іони - іон Na + та іон Cl :

    \[\mathbf{Na\, \cdot }^{+}\; \; \; \; \; \; \; \; \mathbf{:}\mathbf{\ddot{\underset{.\: .}Cl}}\mathbf{\: :}^{-}\nonumber \]

    \[\left [ Ne \right ]\; \; \; \; \; \left [ Ne \right ]3s^{2}3p^{6}\nonumber \]

    Обидва види тепер мають повні октети, а електронні оболонки енергетично стабільні. З базової фізики ми знаємо, що протилежні заряди притягують. Ось що відбувається з іонами Na + та Cl :

    \[\mathbf{Na\, \cdot }^{+}\; + \; \mathbf{:}\mathbf{\ddot{\underset{.\: .}Cl}}\mathbf{\: :}^{-}\rightarrow Na^{+}Cl^{-}\; \; or\; \; NaCl\nonumber \]

    де ми написали остаточну формулу (формулу хлориду натрію) відповідно до конвенції для іонних сполук, не перераховуючи звинувачення явно. Як пояснювалося раніше, тяжіння між протилежно зарядженими іонами називається іонним зв'язком.

    При перенесенні електронів кількість втрачених електронів має дорівнювати кількості отриманих електронів. Ми бачили це в утворенні NaCl. Подібний процес відбувається між атомами Mg і O атомами, за винятком цього випадку переносяться два електрони:

     

    Магній дарує два електрони кисню, щоб спорожнити власну орбіту і заповнити киснем, створюючи таким чином Mg2+ і O2-.

    Кожен з двох іонів має октети як валентну оболонку, а дві протилежно заряджені частинки притягуються, утворюючи іонний зв'язок:

    \[\mathbf{Mg\,}^{2+}\; + \; \mathbf{:}\mathbf{\ddot{\underset{.\: .}O}}\mathbf{\: :}^{2-}\; \; \; \; \; Mg^{2+}O^{2-}\; or\; MgO\nonumber \]

    Як щодо того, коли атом Na взаємодіє з атомом O? Атому O потрібні два електрони, щоб завершити свій валентний октет, але атом Na постачає лише один електрон:

    \[\mathbf{Na\, \cdot }\curvearrowright \mathbf{\cdot }\mathbf{\ddot{\underset{.}O}}\mathbf{\: :}\nonumber \]

    Атом O досі не має октету електронів. Нам потрібен другий атом Na, щоб подарувати другий електрон атому O:

     

    Два атоми натрію пожертвують по одному електрону кисню, щоб спорожнити свої орбіталі та заповнити кисень, створюючи таким чином 2 Na+ та O2-.

    Ці три іони притягуються один до одного, утворюючи загальну нейтрально заряджену іонну сполуку, яку ми пишемо як Na 2 O. Необхідність кількості втрачених електронів дорівнювала кількості отриманих електронів пояснює, чому іонні сполуки мають відношення катіонів до аніонів, що вони роблять. Цього також вимагає закон збереження матерії.

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Стрілками проілюструйте перенесення електронів з утворенням хлориду кальцію з атомів Ca і Cl атомів.

    Рішення

    Атом Ca має два валентні електрони, тоді як атом Cl має сім електронів. Атому Cl потрібен лише один, щоб завершити свій октет, тоді як атоми Ca мають два електрони, щоб втратити. Нам потрібні два атоми Cl, щоб прийняти два електрони з одного атома Ca. Процес передачі виглядає наступним чином:

    Кальцій дарує два електрони, по одному кожен йде хлору. Це спорожнює орбіту кальцію і заповнює обидва хлору». Це створює Ca2+ і два Cl-.

    Протилежно заряджені іони притягують один одного, щоб зробити CaCl 2.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Стрілками проілюструйте перенесення електронів з утворенням сульфіду калію від атомів K і атомів S.

    Відповідь

     

    Два атоми калію передають електрон сірці, щоб заповнити орбітальну сірку і спорожнити власну, створюючи таким чином два K+і один S2-. Вони іонічно зв'язуються з утворенням K2S.

    Для сполук, в яких співвідношення іонів не настільки очевидно, індекси в формулі можна отримати шляхом схрещування зарядів: використовуйте абсолютне значення заряду на одному іоні в якості індексу для іншого іона. Цей спосіб схематично зображений на малюнку 3.3.2.

    clipboard_e64c1887b23a249cc7a2605e9b461ade9.png
     
    clipboard_ed576e471896366351a85627f08757b22.png
     
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Перетин зарядів. Одним із способів отримання індексів в емпіричній формулі є перехрещення зарядів.

    При перетині зарядів іноді доводиться зводити індекси до їх найпростішого співвідношення, щоб написати емпіричну формулу. Розглянемо, наприклад, з'єднання, утворене Pb 4 + і O 2−. Використання абсолютних значень зарядів на іоні в якості індексів дає формулу Pb 2 O 4. Це спрощує її правильну емпіричну формулу PbO 2. Емпірична формула містить один іон Pb 4 + та два іони O 2−.

    Приклад\(\PageIndex{2}\): Predicting the Formula of an Ionic Compound

    Сапфір дорогоцінного каменю (рис.\(\PageIndex{2}\)) - це здебільшого сполука алюмінію та кисню, яка містить катіони алюмінію, Al 3 + та аніони кисню, O 2 -. Яка формула цієї сполуки?

    Це фотографія кільця з встановленим в ньому сапфіром.
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Хоча чистий оксид алюмінію безбарвний, слідові кількості заліза та титану надають синьому сапфіру характерний колір. (кредит: модифікація роботи Станіслава Дороненка)
    Рішення

    Оскільки іонне з'єднання повинно бути електрично нейтральним, воно повинно мати однакову кількість позитивних і негативних зарядів. Два іони алюмінію, кожен із зарядом 3+, дали б нам шість позитивних зарядів, а три іони оксиду, кожен із зарядом 2−, дали б нам шість негативних зарядів. Формулою буде Al 2 O 3.

    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    Прогнозуйте формулу іонної сполуки, що утворюється між катіоном натрію, Na + та сульфідним аніоном, S 2−.

    Відповідь

    Na 2 S

    Іонні сполуки, утворені з багатоатомних іонів

    Багато іонні сполуки містять багатоатомні іони як катіон, аніон або обидва. Як і у випадку з простими іонними сполуками, ці сполуки також повинні бути електрично нейтральними, тому їх формули можна передбачити, розглядаючи багатоатомні іони як дискретні одиниці. Ми використовуємо дужки у формулі для позначення групи атомів, які поводяться як одиниця. Наприклад, формула фосфату кальцію, одного з мінералів в наших кістках, - Ca 3 (PO 4) 2. Ця формула вказує на те, що на кожні дві фосфатні\(\left(\ce{PO4^{3-}}\right)\) групи припадає три іони кальцію (Са 2 +). \(\ce{PO4^{3-}}\)Групи є дискретними одиницями, кожна з яких складається з одного атома фосфору та чотирьох атомів кисню і має загальний заряд 3−. З'єднання електрично нейтральне, і його формула показує загальну кількість трьох атомів Ca, два P і вісім O.

    Приклад\(\PageIndex{3}\): Predicting the Formula of a Compound with a Polyatomic Anion

    Розпушувач містить дигідрофосфат кальцію, іонну сполуку, що складається з іонів Са 2 + і\(\ce{H2PO4-}\). Яка формула цієї сполуки?

    Рішення

    Позитивний і негативний заряди повинні балансувати, і це іонне з'єднання повинно бути електрично нейтральним. Таким чином, ми повинні мати два негативних заряду, щоб збалансувати 2+ заряд іона кальцію. Для цього потрібно співвідношення одного іона Са 2 + до двох\(\ce{H2PO4-}\) іонів. Ми позначимо це, уклавши формулу іона дигідрофосфату в дужки і додаючи індекс 2. Формула - Са (Н 2 РО 4) 2.

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    Напишіть хімічну формулу для іонної сполуки, що складається з кожної пари іонів.

    1. іон магнію та карбонатний іон
    2. іон алюмінію та ацетатний іон
    Відповідь:

    Mg 2 + і СО 3 2 - = MgCO 3

    Відповідь б:

    Ал 3 + і С 2 Н 3 О 2 - = Ал (С 2 Н 3 О 2) 3

    Формула одиниці

    Іонні сполуки існують як чергуються позитивні і негативні іони в регулярних, тривимірних масивах, званих кристалами (рис.\(\PageIndex{3}\)). Як бачите, окремих\(\ce{NaCl}\) «частинок» в масиві немає, натомість є суцільна решітка з чергуються іонів натрію і хлориду. Однак ми можемо використовувати відношення іонів натрію до хлоридних іонів, виражене в мінімально можливих цілих числах або найпростішої формулі, як спосіб опису з'єднання. У випадку хлориду натрію співвідношення іонів натрію до хлоридних іонів, виражене в найменших цілих числах, становить 1:1, тому ми використовуємо\(\ce{NaCl}\) (один\(\ce{Na}\) символ і один\(\ce{Cl}\) символ) для представлення сполуки. Таким чином,\(\ce{NaCl}\) є хімічна формула хлориду натрію, яка є лаконічним способом опису відносної кількості різних іонів в з'єднанні. Макроскопічний зразок складається з безлічі пар NaCl; кожна окрема пара називається одиницею формули. Хоча зручно думати, що\(\ce{NaCl}\) кристали складаються з окремих\(\ce{NaCl}\) одиниць, на малюнку\(\PageIndex{3}\) видно, що жоден єдиний іон не пов'язаний виключно з будь-яким іншим єдиним іоном. Кожен іон оточений іонами протилежного заряду.

    Малюнок 1.jpg
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Кристал хлориду натрію. Кристал містить тривимірний масив чергуються позитивних і негативних іонів. Точний малюнок залежить від з'єднання. Кристал хлориду натрію, показаний тут, являє собою сукупність чергуються іонів натрію і хлору.