1.6: Іони

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 1.5: Молекули та родимки
- 1.7: Іони в розчині

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Рис. 1-5 Сіль кухонна звичайна (хлорид натрію. NaCl) побудований з тісно упакованих іонів натрію, Na ⁺ (малі сфери). і хлоридних іонів. CI ^- (великі. кольорові сфери). Кожен іон одного заряду оточений шістьма іонами протилежного заряду в чотирьох точках компаса і вище і нижче. Це особливо стійке розташування зарядів. і зустрічається воно у багатьох солей. Від Дікерсона і Гейса. Хімія, матерія. і Всесвіт Бенджамін/Cummings Publishing Co.. Менло-парк. Кл.. © 1976.

Ідея ковалентного зв'язку передбачає рівний розподіл електронної пари зв'язаними атомами, але коротке обговорення полярності в розділі 1-4 вказувало на те, що поділ не завжди рівний. Відносна електронегативність або сила, що притягує електрони атомів, має велике значення для пояснення хімічної поведінки, і детально розглядається в главах 9 і 10. Атоми натрію (і всі метали взагалі) мають слабке утримання електронів, тоді як атоми хлору дуже електронегативні. Звідси в звичайній кухонній солі (хлорид натрію, NaCl) кожен атом натрію, Na, втрачає один електрон (е ^-) з утворенням іона натрію, Na ⁺. Кожен атом хлору підхоплює один електрон, щоб стати іоном хлориду, Cl ^-:

Na → Na ⁺ e ^- слово і слово

\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}

Cl ₂ + e ^- → Cl ^-

Ми пишемо $\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}$ Cl ₂, оскільки вільний хлорний газ існує як двоатомні (двоатомні) молекули, а не як вільні атоми хлору. Твердий хлорид натрію (рис. 1-5) має іони натрію і хлориду, упаковані в тривимірну решітку таким чином, що кожен позитивний іон Na ⁺ оточений з чотирьох сторін і зверху і знизу негативними Cl ^- іонами, а кожен Cl ^- аналогічно оточений шістьма найближчими сусід Na ⁺ іони. Це особливо стійке розташування позитивних і негативних зарядів.

Метали взагалі втрачають один-три електрони легко перетворюються на позитивно заряджені іони, або катіони:

Лі	→	Лі ⁺	+	е ^-	ттт	літій-іонний
Na	→	Na ⁺	+	е ^-	ттт	іон натрію
К	→	К ⁺	+	е ^-	ттт	іон калію
Мг	→	^{Мг 2+}	+	2 е ^-	ттт	іон магнію
Ca	→	Ка ²⁺	+	2 е ^-	ттт	іон кальцію
Аль	→	Аль ³⁺	+	3 е ^-	ттт	іон алюмінію

Деякі неметали, навпаки, підбирають електрони, щоб стати негативно зарядженими іонами, або аніонами:

$\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}$ Ф ₂	+	е ^-	→	F ^-	ттт	іон фтору
$\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}$ Сл ₂	+	е ^-	→	Кл ^-	ттт	хлорид-іон
$\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}$ О ₂	+	2 е ^-	→	О ^2-	ттт	оксид-іон
$\ стиль тексту {\ розрив {1} {2}}$ S ₂	+	2 е ^-	→	S ^2-	ттт	сульфід-іон

Таблиця 1-4 Деякі прості іони елементів

Хімічні принципи, таблиця 1.4.png

Інші прості іони, виготовлені з одиночних атомів, наведені в таблиці 1-4. Заряд на простому одноатомному іоні, такому як AP ⁺ або S ^2- це його ступінь окислення або число окислення. Саме кількість електронів необхідно додати для зменшення (або видалення для окислення) іона до нейтрального виду:

Зменшення: АІ ³⁺ 3 ^{е -} → Al

Окислення: S ^2- → S + 2 ^{е -}

Витягування електронів від атома або видалення їх взагалі - це окислення. Додавання електронів до атома або просто зміщення їх до нього - це зменшення.

**Приклад 12**
Чи окислюється або відновлюється хлор при утворенні іона хлориду? Яка ступінь окислення іона?
Рішення Хлор знижується, оскільки для утворення іона додається один електрон на атом хлору. Хлорид-іон, Cl ^-, знаходиться в ступені окислення - 1.

**приклад 13**
Коли метали перетворюються в їх іони, вони окислюються або відновлюються? Яка ступінь окислення іона алюмінію?
Рішення Метали окислюються до своїх іонів, так як електрони видаляються. Іон алюмінію, AP ⁺, знаходиться в стані окислення +3.

Якщо можливі два або більше станів окислення для іона металу, їх диференціюють шляхом написання ступеня окислення римськими цифрами після назви атома. Більш стара номенклатура, все ще використовується, ідентифікує вищу ступінь окислення по закінченню - ic і нижню по - ous. Отже,

Фе ²⁺	тт	залізо (II) або залізо	перерва	Фе ³⁺	тт	залізо (III) або залізо
Cu ⁺	тт	мідь (I) або мідь	перерва	Куб ²⁺	тт	мідь (II) або мідь
^{Нд 2+}	тт	олово (II) або олово	перерва	Сн ⁴⁺	тт	олово (IV) або станнік

**приклад 14**
Коли іон заліза перетворюється в іон заліза, це окислення або відновлення? Напишіть рівняння для процесу.
Рішення Рівняння Fe ³⁺ e ^- → Fe ²⁺. Процес є редукцією, оскільки додається електрон.

Сучасна номенклатура з римськими цифрами простіше у використанні, оскільки вона не вимагає від вас пам'ятати, що таке дві ступені окислення металу, щоб дізнатися, що таке з'єднання з його назви.

Сіль - це з'єднання, що складається з позитивних і негативних іонів. Оскільки сіль повинна бути електрично нейтральною, загальний заряд на її позитивних і негативних іоні повинен дорівнювати нулю. Оскільки кожен іон Sn ²⁺ має заряд +2, для отримання нульового чистого заряду потрібно вдвічі більше іонів хлориду з -1 зарядом. Звідси сіль Sn ²⁺ і Cl ^- іонів має загальний склад SnCl ₂, а не SnCl або SnCl ₃. Його називають хлоридом олова або хлоридом олова (II). Формула хлориду олова або хлориду олова (IV) - SnCl ₄.

Крім цих простих іонів, між металом або неметалом і киснем, хлором, аміаком (NH ₃), гідроксидним іоном (ОН ^-) або іншими хімічними групами можуть утворюватися сполучені або складні іони. Сульфат-іон $\ стиль тексту {\ розрив {2-} {4}}$ , SO, має чотири кисню в кутах тетраедра навколо центрального атома сірки, і загальний заряд -2. Нітратний іон, NO $\ стиль тексту {\ розрив {} {3}}$ , має три атоми кисню в рівносторонньому трикутнику навколо азоту, і -1 заряд. Іон амонію $\ стиль тексту {\ розрив {+} {4}}$ , NH, має чотири водню на кутах тетраедра та +1 заряд. Ці іони розглядаються як одиниці, оскільки вони утворюють солі так, як це роблять одноатомні іони, і проходять багато хімічних реакцій без змін. Нітрат срібла, AgN0 ₃, являє собою сіль, що містить рівну кількість $\ стиль тексту {\ розрив {} {3}}$ іонів Ag ⁺ і NO. Сульфат амонію - це сіль з удвічі більшою кількістю іонів амонію $\ стиль тексту {\ розрив {+} {4}}$ , NH, як сульфат-іони $\ стиль тексту {\ розрив {2-} {4}}$ , SO, і хімічна формула (NH ₄) ₂ S0 ₄. Інші типові комплексні іони наведені в таблиці 1-5.

Таблиця 1-5 Деякі загальні комплексні іони

Хімічні принципи, таблиця 1.5.png

Коли центральний атом оточений декількома однаково розташованими атомами, кількість навколишніх атомів називається координаційним числом. Найважливішим фактором є розмір. Азот в нітратному іоні

\ стиль тексту {\ розрив {} {3}}

, NO, має місце для трьох атомів кисню навколо нього, і, отже, координаційне число 3 для кисню. Атом сірки більший, ніж атом азоту, і може вмістити ще один атом кисню в сульфат-іоні, SO

\ стиль тексту {\ розрив {2-} {4}}

. Звідси координаційне число сірки для кисню дорівнює 4.

Найпоширенішими координаційними числами є 2, 3, 4 та 6 (див. Таблицю 1-6.) Іон або молекула з центральним атомом, що має координаційне число 2, може бути як лінійним, як вуглекислий газ з O-C-O по прямій, так і зігнутим, як у воді, H ₂ 0. Можливі структури іонів або молекул з координаційними номерами 3, 4 і 6 наведені в таблиці 1-6.

Таблиця 1-6 Загальні координаційні номери

Принципи хімії Таблиця 1.6.png

Рисунок 1-6 Геометрія атомів навколо центральних атомів з координаційними номерами 3, 4 і 6. Якщо L - будь-який периферійний атом, а M - центральний атом, то кут зв'язку L - M - L становить 120° для тригональної планарної, 109,5° для тетраедричних і, як правило, близько 109,5° для тригональних пірамідних геометрій. Квадратні площинні і восьмигранні геометрії мають два кути L - M - L, 90° і 180°.

Не зовсім правильно говорити про молекулярні формули і молекулярних масах солей, так як в солей немає молекул - тільки впорядковані решітки іонів. Жоден іон натрію в структурі хлориду натрію, показаної на малюнку 1-5, не «належить» до конкретного хлоридного іону. Правильно, однак, говорити про хімічну формулу солі та вагу формули, яка їй відповідає. Так як хімічна формула хлориду натрію - NaCl, то формульна маса хлориду натрію являє собою суму атомних ваг одного атома натрію і одного атома хлору:

1 натрій:	тт	22 990 грн.
1 хлор:	тт	35 453 грн.
Всього:	тт	58 443 грн.

Звичайно називати це «молекулярною масою» хлориду натрію, і ніяких результатів плутанини до тих пір, поки ви розумієте, що таке структура солі. Моль хлориду натрію - 58,443 м Він буде містити 6,022 X 10 ²³ іони натрію і 6,022 X 10 ²³ іони хлориду. Незважаючи на те, що вони не спарені в молекули, співвідношення строго один до одного.

Приклад 15

Яка молекулярна маса сульфату амонію?

Рішення

Хімічна формула сульфату амонію є (NH ₄_{) ₂ SO 4}, тому молекулярна маса (насправді формула ваги)

2 азотів:	тт	2 Х 14,007 аму=	тт	28 травня 2014 р.
8 водню:	тт	8 Х 1,008 аму=	тт	8 064 аму
1 сірка:	тт	1 Х 32.06 аму=	тт	32,06 грн.
4 кисню:	тт	4 Х 15,999 аму=	тт	63 996 аму
Всього:	тт		тт	132.13 аму

Прості аніони називаються шляхом додавання -ide до назви елемента, як у фторидних (F ^-), хлоридних (Cl ^-), оксиду (O ^2-) та сульфідних (S ^2-) іонів. Там, де може утворюватися більше одного складного аніону елемента з киснем, суфікси -ел і -іт використовуються для вищих і нижчих ступенів окислення відповідно. Таким чином,

Сульфат-іон:	тт	ТАК $\ стиль тексту {\ розрив {2-} {4}}$	слово	Сульфіт-іон:	тт	ТАК $\ стиль тексту {\ розрив {2-} {3}}$
Нітрат іон:	тт	НІ $\ стиль тексту {\ розрив {} {3}}$	слово	Нітрит-іон:	тт	НІ $\ стиль тексту {\ розрив {} {2}}$
Арсенат іон:	тт	So $\ стиль тексту {\ розрив {3-} {4}}$	слово	Арсеніт-іон:	тт	So $\ стиль тексту {\ розрив {3-} {3}}$

Якщо таких аніонів більше двох, то використовуються префікси hypo- («під») і per- («за межами»):

Перхлорат-іон:	тт	КЛО $\ стиль тексту {\ розрив {} {4}}$
Хлорат-іон:	тт	КЛО $\ стиль тексту {\ розрив {} {3}}$
Хлорит-іон:	тт	КЛО $\ стиль тексту {\ розрив {} {2}}$
Гіпохлорит іон:	тт	КЛО $\ стиль тексту {\ розрив {} {}}$

Точки плавлення та температури кипіння солей

Кристал солі являє собою особливо стабільний баланс позитивних і негативних зарядів, при цьому кожен тип іонів утримується подалі від інших подібних зарядів. Плавлення кристала солі означає порушення цього делікатного балансу зарядів і дозволяє взаємно відштовхуючим іонам час від часу зближуватися, коли іони протікають один за одного. Це порушення структури вимагає великої кількості енергії для досягнення, тому температури плавлення солей вище, ніж у молекулярних твердих тіл. Точки плавлення двох солей, хлориду натрію (NaCi) і сульфату калію (K ₂ SO ₄), порівнюються в таблиці 1-7 з тими з елементів, з яких виготовлені солі.

**Таблиця 1-7**. Точки плавлення та кипіння двох солей та їх складових елементів
Речовина	Хімічна Формула	Т _м (°C)	Т _б (°C)
Метал натрію	Na	97.8	882.9
Газ хлору	Сл ₂	-101.0	-34.6
Хлорид натрію (сіль)	NaCl	801	1413
Металевий калій	К	64	774
Сірка	S	119	445
Кисневий газ	О ₂	-218	-183
Сульфат калію (сіль)	К ₂ СО ₄	1069	1689

Металевий натрій плавиться при 97,8° C, а твердий хлор плавиться при -101° C, але їх комбінація, хлорид натрію (звичайна кухонна сіль), вимагає температури 801° C, перш ніж він розплавиться. Кип'ятити або випаровування солі ще складніше. Іони залишаються іонами в рідкому стані, перекидаючись один за одного, як і в будь-якій іншій рідині; але перш ніж досягти газової фази, Na ⁺ і CI ^- іони повинні спаритися в нейтральні молекули NaCl. Щоб здійснити це спарювання, електрони повинні відтягуватися від CI ^- іонів, які мають для них сильне тяжіння, і штовхати в сторону іонів Na ⁺, які їх не хочуть. Зв'язок NaCl в парах хлориду натрію надзвичайно полярна, причому електронна пара сильно перекошена в бік атома хлору, але поділ все ще не такий повний, як у Na ⁺ і CI ^- іонів. Багато енергії потрібно, щоб штовхати електрони там, де вони не хочуть, і зробити молекули NaCl з Na ⁺ і CI ^- іонів, тому потрібні високі температури, перш ніж це може статися. Звідси дуже високі температури кипіння солей в порівнянні з молекулярними сполуками, як показано в таблиці 1-7.

Автори та атрибуція

Template:ContribDickerson