4.3: Хлорид натрію та іонні зв'язки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18725

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

Багато атоми і групи атомів в хімічних сполуках - це іони, які мають електричний заряд через їх нерівну кількість протонів і електронів. Катіони - це позитивно заряджені іони, а аніони - негативно заряджені іони. Сполуки, що складаються з іонів, є іонними сполуками і зв'язки, що утримують їх разом, є іонними зв'язками Іонні зв'язки залежать від взаємного тяжіння між позитивними катіонами та негативними аніонами для їх міцності зв'язку (протилежно заряджені тіла притягують один одного, тоді як негативно заряджені тіла відштовхують один одного).

Малюнок 4.2. Модель кулі та палиці CH ₄, в якій атоми 4 H (затінені кулі) розташовані в трьох вимірах навколо атома вуглецю.

Освіта іонів на основі правила октета добре видно для відомого іонного з'єднання, хлориду натрію, NaCl, як показано на малюнку 4.3. Втрачаючи електрон, щоб стати катіоном Na ⁺, нижня оболонка натрію з 8 електронів стає зовнішньою оболонкою іона зі стабільним октетом. Хлор досягає стабільного октету 8 електронів зовнішньої оболонки, отримуючи 1 електрон на атом для отримання Cl ^- іона.

Малюнок 4.3. Утворення іонного хлориду натрію з нейтральних атомів Na і Cl.

Хлорид натрію - дуже стійке з'єднання через взаємного тяжіння протилежно заряджених іонів. Але іони повинні бути організовані оптимальним чином, щоб ця привабливість була ефективною. Оскільки протилежно заряджені іони притягують один одного, але іони з однаковим зарядом взаємно відштовхують, іони в іонному з'єднанні, такому як хлорид натрію, повинні бути упаковані, щоб максимізувати тяжіння і мінімізувати відштовхування. Розташування, яке робить це для NaCl, показано моделлю кулі та палиці на малюнку 4.4.

Малюнок 4.4. Представлення структури NaCl. Цю структуру можна візуалізувати в трьох вимірах у вигляді «кульок» з взаємопов'язаними «палицями». У кульках є Na ⁺ і Cl ^- іони. Найближчі сусіди до позначених стрілкою Cl ^- іонів 6 Na ⁺. 6 найближчих сусідів Cl ^- іона, позначеного стрілкою, - це 6 Na ⁺ іонів.

Хоча це може бути трохи важко уявити для моделі, представленої на папері, шість найближчих сусідів кожного негативно зарядженого Cl ^{- аніону} є катіони Na ⁺. А шість найближчих сусідів кожного позитивно зарядженого ^{катіону Na +} негативно заряджені Cl ^- аніони

Насправді іони більш точно представлені в іонній структурі у вигляді сфер, які торкаються. Катіон Na ⁺ значно менший, ніж Cl ^- аніон, тому більш точне уявлення NaCl, ніж показано на малюнку 4.4, покаже досить великі Cl- сфери, між якими розташовані ледь помітні Na+сфери. Але недосконала модель кулі та палиці, показана на малюнку 4.4, показує кілька важливих моментів щодо іонного NaCl. Він ілюструє відносні положення іонів. Ці положення в поєднанні з іонним зарядом і розміром визначають кристалічну структуру твердого кристала, з якого складається іонне з'єднання. Крім того, експертиза малюнка показує, що жоден Cl ^- аніон не належить до специфічного катіону Na ⁺, і жоден катіон Na ⁺ не належить до конкретного Cl ^- аніону. Отже, хоча хімічна формула NaCl точно представляє відносні числа атомів Na і Cl в хлориді натрію, вона не означає, що існують дискретні молекули, що складаються з 1 Na і 1 Cl. З цієї причини неправильно посилатися на молекулу хлориду натрію, оскільки різних молекул іонних сполук як таких не існує. Замість цього робиться посилання на формульні одиниці іонних сполук, де формульна одиниця NaCl складається з 1 іона Na ⁺ і 1 Cl ^- іона, найменшої кількості речовини, яка може існувати і все ще бути хлоридом натрію.

Стабільність хімічних сполук - це все про енергію. Загалом, чим більше енергії виділяється при утворенні з'єднання, тим стабільніше з'єднання. Хлорид натрію може утворюватися шляхом взаємодії елементарного твердого натрію з елементарним газом Cl ₂,

\[\ce{2Na(solid) + Cl2(gas) \rightarrow 2NaCl (solid)}\]

для отримання твердого хлориду натрію. Ця реакція виділяє велику кількість енергії, а елементарний натрій вибухонебезпечно спалює в хлорному газі. Реакцію можна розглядати з точки зору наступних етапів.

Атоми в твердому Na розбираються, що вимагає енергії.
Кожна молекула Cl ₂ розбирається на частини, що вимагає енергії.
З кожного атома Na береться електрон для отримання іона Na ⁺, що вимагає енергії.
До кожного атома Cl додається електрон для отримання Cl ^- іона, який вивільняє енергію.
Всі катіони Na ⁺ і 1 Cl ^- аніон зібрані в пропорції 1/1 в кристалічну решітку для отримання NaCl, який виділяє дуже велику кількість енергії.

Дуже велика кількість енергії, що бере участь в кроці 5, називається енергією решітки і в першу чергу відповідає за високу стабільність іонних сполук. Загальна картина задіяної енергії показана на малюнку 4.5.

Малюнок 4.5. Енергія, що бере участь у формуванні з'єднання, дуже схожа на ту, що бере участь у прокатці візка вниз по пагорбу. У випадку з хлоридом натрію виділяється багато енергії при утворенні твердого кристалічного іонного NaCl з твердого металу Na і газоподібного Cl ₂

Зазначені вище відмінності в іонних розмірах представлені на малюнку 4.6 для декількох одноатомних (1-атомних) іонів від елементів, близьких один до одного в таблиці Менделєєва. На малюнку видно, що негативні одноатомні іони, як правило, більші за позитивні одноатомні іони, утворені з елементів, які знаходяться поблизу в таблиці Менделєєва. Таким чином, негативний F ^- іон більше позитивного Na+іона, хоча обидва іона мають однакову кількість електронів (10) і атомний номер Na вище, ніж у F.

Малюнок 4.6. Відносні розміри декількох іонів, утворених шляхом видалення електронів з або додавання електронів до декількох елементів, наведені в скороченій таблиці Менделєєва. Діаметри іонів задаються в пікометрах (pm) у дужках після символу для кожного іона. Атомні номери елементів, з яких утворився кожен іон, показані всередині кіл, що представляють іони.

видно, що для іонів в одній групі елементів, що мають однаковий заряд, іон від елемента з більш високим атомним номером більше. На малюнку 4.6 показано, що Cl ^- іон більший за F ^- іон, а іон K ⁺ більший за іон Na ⁺. Оскільки електрони видаляються з елементів в той же період періодичної таблиці, щоб виробляти поступово більш сильно заряджені катіони, розмір іонів помітно скорочується, як показано порядком розмірів іонів Na ⁺ > Mg ² ⁺ > Al ³ ⁺, кожен з яких має 10 е-. Це відбувається тому, що в міру того, як заряд ядра стає більшим щодо заряду негативного електронного хмари навколо нього, хмара наближається до ядра, зменшуючи розмір іонів. Оскільки електрони додаються до атомів для отримання більш сильно заряджених аніонів, розмір аніонів збільшується, оскільки більше електронів займають більше місця. Так S ^2- іон більше, ніж Cl ^- іон.

Для того щоб далі розібратися в утворенні іонів, можна розглянути ще кілька прикладів. Кальцій і хлор реагують,

утворювати хлорид кальцію, CaCl ₂. Це з'єднання є побічним продуктом деяких промислових процесів, від яких його утилізація може стати проблемою. Він зазвичай використовується як дорожня сіль для танення льоду та снігу на вулицях та автомагістралі. Хоча хлорид кальцію є ефективним у цьому відношенні, він є корозійним для автомобілів, а хлорид кальцію є забруднюючою сіллю, яка може сприяти перевищенню рівня солі у водоймах. «Зеленішим», хоча і більш дорогим замінником є ацетат кальцію, Ca (C ₂ H ₃ O ₂) ₂. Ця сполука складається з іонів Ca ² ⁺ та ацетатних (C _₂ H ₃ O ^2-) аніонів. Його перевага полягає в тому, що бактерії на ґрунті та у воді легко спричиняють біодеградацію ацетатного аніону, як показано реакцією,

\[\ce{Ca(C2H3O2)2 + 4O2} \: \: \: \underrightarrow{Bacteria} \: \: \: \ce{CaCO3 + 3CO2 + 3H2O}\]

з якого кальцій закінчується як карбонат кальцію, загальний компонент гірських порід і ґрунту.

Іншим прикладом утворення іонного з'єднання є наступна реакція металу алюмінію з елементарним киснем,

Ця реакція виробляє оксид алюмінію, для якого хімічна формула - Al ₂ O ₃. Ця сполука є джерелом алюмінію в бокситі, руді, з якої виробляється алюміній, і є важливим промисловим хімічним речовиною. Названий глиноземом, сам оксид алюмінію має багато застосувань, включаючи його використання для абразивів та наждачного паперу, як сировина для кераміки, а також як інгредієнт антацидів та антиперспірантів.

Вправа: Покажіть іонні продукти реакції металу і неметалів, зазначених

Відповіді: (а) Na ⁺, (b) Cl ^-, (c) NaCl, (г) К ⁺, (е) О ^2-, (ф) К ₂ О, (г) Са ² ⁺, (ч) Сл ^-, (i) CaCl ₂

Крім іонів, утворених з одиночних атомів, що втрачають або набирають електрони, багато іони складаються з груп атомів, ковалентно пов'язаних між собою, але мають чистий електричний заряд через надлишкового дефіциту електронів. Прикладом такого іона є ацетатний іон, показаний вище в формулі ацетату кальцію, Ca (C ₂ H ₃ O ₂) ₂. Нижче показана структурна формула ацетатного аніону, C ₂ _{H ₃ O 2} ^-, в якій два атоми вуглецю з'єднані єдиним ковалентним зв'язком, що складається з двох спільних електронів, кожен з трьох атомів Н з'єднаний з одним з атомів вуглецю одним ковалентним зв'язок і інший атом вуглецю з'єднується з одним киснем з одним ковалентним зв'язком, а з іншим подвійним ковалентним зв'язком, що складається з 4 спільних електронів. Чистий заряд на іоні дорівнює -1.

Іонні рідини та зелена хімія

Найбільш поширені іонні сполуки, такі як хлорид натрію, є твердими твердими твердими речовинами, оскільки іони, з яких вони складаються, відносно невеликі і щільно упаковані разом у кристалічну решітку. Ці іонні сполуки повинні бути нагріті до дуже високих температур, перш ніж вони розплавиться, 801 ˚C для NaCl, наприклад. В останні роки були розроблені іонні сполуки, які є рідинами в звичайних умовах. Іони в цих іонних рідинях складаються з великих органічних молекул, що складаються з скелетів численних атомів вуглецю, пов'язаних з іншими атомами і мають чистий заряд. Заряди на іони в таких сполуках набагато менш концентровані, ніж в простих неорганічних сполуках типу NaCl, великі іони легко переміщаються відносно один одного в іонному кристалі, а з'єднання є рідким при низьких температурах. Поширеним прикладом іонного рідкого з'єднання є децилметилімідазолій гексафторфосфат, який представляє собою рідину при температурі вище 40 ˚С, температурі дуже спекотного літнього дня.

Був великий інтерес до застосування іонних рідин до зеленої хімії. Це пов'язано з тим, що багато хімічних реакцій, включаючи реакції для приготування полімерів, що використовуються в синтетичних тканині або фармацевтичних сполуках, проводяться в рідких розчинниках, які, як правило, випаровуються та забруднюють повітря та створюють проблеми утилізації. Крім того, хоча властивості розчинника в хімічному синтезі часто відіграють сильну роль у визначенні ходу синтезу, кількість доступних розчинників дуже обмежена. Однак у випадку з іонними рідинами існує велика різноманітність як катіонів, так і рідин, які, об'єднані разом, можуть дати цілих трильйон (!) різні іонні рідини. Ця універсальність дозволяє точно налаштувати властивості іонних рідин для спеціалізованого використання в синтезі та інших додатках. Іонні рідини досить легко переробляються, додаючи їх зеленого характеру. На додаток до їх застосування в якості розчинників для середовищ хімічного синтезу, іонні рідини можуть бути корисними для виділення забруднюючих речовин. Наприклад, відповідну іонну рідину можна струсити водою, забрудненою токсичними важкими металами, такими як свинець або кадмій, які зв'язуються з іонною рідиною. Оскільки така рідина зазвичай не розчиняється у воді, її можна фізично відокремити від води, несучи з собою важкі метали і залишаючи очищену воду.