7.1: Іонне склеювання

Цілі навчання

• Поясніть утворення катіонів, аніонів та іонних сполук
• Прогнозувати заряд загальних металевих і неметалічних елементів та записати їх електронні конфігурації

Як ви дізналися, іони - це атоми або молекули, що несуть електричний заряд. Катіон (позитивний іон) утворюється, коли нейтральний атом втрачає один або кілька електронів зі своєї валентної оболонки, а аніон (негативний іон) утворюється, коли нейтральний атом отримує один або кілька електронів у своїй валентній оболонці.

Сполуки, що складаються з іонів, називаються іонними сполуками (або солями), а складові їх іони утримуються разом іонними зв'язками: електростатичними силами тяжіння між протилежно зарядженими катіонами і аніонами. Властивості іонних сполук проливають деяке світло на природу іонних зв'язків. Іонні тверді речовини мають кристалічну структуру і, як правило, жорсткі та крихкі; вони також, як правило, мають високі температури плавлення та кипіння, що говорить про те, що іонні зв'язки дуже міцні. Іонні тверді речовини також є поганими провідниками електрики з тієї ж причини - міцність іонних зв'язків запобігає вільному переміщенню іонів у твердому стані. Більшість іонних твердих речовин, однак, легко розчиняються у воді. Після розчинення або розплавлення іонні сполуки є чудовими провідниками електрики та тепла, оскільки іони можуть вільно рухатися.

Нейтральні атоми і пов'язані з ними іони мають дуже різні фізико-хімічні властивості. Атоми натрію утворюють метал натрію, м'який сріблясто-білий метал, який енергійно горить на повітрі і вибухонебезпечно реагує з водою. Атоми хлору утворюють хлорний газ, Cl ₂, жовто-зелений газ, який надзвичайно корозійний для більшості металів і дуже отруйний для тварин і рослин. Енергійна реакція між елементами натрію і хлору утворює біле кристалічне з'єднання хлориду натрію, звичайної кухонної солі, яке містить катіони натрію і хлорид-аніони (рис.\(\PageIndex{1}\)). З'єднання, що складається з цих іонів, проявляє властивості, абсолютно відмінні від властивостей елементів натрію і хлору. Хлор отруйний, але хлорид натрію необхідний для життя; атоми натрію енергійно реагують з водою, але хлорид натрію просто розчиняється у воді.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Натрій - це м'який метал, який необхідно зберігати в мінеральному маслі, щоб запобігти реакції з повітрям або водою. (б) Хлор - це блідо-жовто-зелений газ. (в) При з'єднанні вони утворюють білі кристали хлориду натрію (кухонної солі). (кредит a: модифікація роботи «Юрія» /Wikimedia Commons)

Освіта іонних сполук

Бінарні іонні сполуки складаються лише з двох елементів: металу (який утворює катіони) та неметалу (який утворює аніони). Наприклад, NaCl - бінарне іонне з'єднання. Можна задуматися про утворення таких сполук з точки зору періодичних властивостей елементів. Багато металеві елементи мають відносно низькі потенціали іонізації і легко втрачають електрони. Ці елементи лежать зліва в період або поблизу нижньої частини групи на таблиці Менделєєва. Неметалеві атоми мають відносно високу електронну спорідненість і, таким чином, легко набирають електрони, втрачені атомами металів, тим самим заповнюючи їх валентні оболонки. Неметалеві елементи знаходяться в правому верхньому куті таблиці Менделєєва.

Оскільки всі речовини повинні бути електрично нейтральними, загальна кількість позитивних зарядів на катіоні іонного з'єднання має дорівнювати загальному числу негативних зарядів на його аніоні. Формула іонного з'єднання являє собою найпростіше співвідношення чисел іонів, необхідних для отримання однакових чисел позитивних і негативних зарядів. Наприклад, формула оксиду алюмінію, Al ₂ O ₃, вказує на те, що ця іонна сполука містить два катіони алюмінію, Al ^{3 +}, на кожні три аніони оксиду, O ²⁻ [таким чином, (2 × +3) + (3 × —2) = 0].

Однак важливо зазначити, що формула іонної сполуки не представляє фізичного розташування його іонів. Некоректно посилатися на «молекулу» хлориду натрію (NaCl), оскільки між будь-якою конкретною парою іонів натрію та хлориду немає жодної іонної зв'язку. Сили привабливості між іонами є іотропними - однаковими у всіх напрямках - це означає, що будь-який конкретний іон однаково притягується до всіх сусідніх іонів протилежного заряду. Це призводить до того, що іони влаштовуються в щільно пов'язану тривимірну структуру решітки. Хлорид натрію, наприклад, складається з регулярного розташування рівних чисел катіонів Na ⁺ і Cl ^— аніонів\(\PageIndex{2}\) (рис.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Атоми хлориду натрію (звичайної кухонної солі) розташовані так, щоб (а) максимізувати протилежні заряди взаємодіють. Менші сфери представляють іони натрію, більші - іони хлориду. У розгорнутому вигляді (b) геометрію видно чіткіше. Зверніть увагу, що кожен іон «пов'язаний» з усіма оточуючими іонами - у цьому випадку шістьма.

Дві діаграми показані та марковані «a» та «b». Діаграма а показує куб, що складається з двадцяти семи чергуються фіолетових і зелених сфер. Фіолетові сфери менші, ніж зелені сфери. На схемі b показані ті ж сфери, але на цей раз вони розправлені і з'єднані в трьох вимірах білими стрижнями. Фіолетові сфери позначені «N надрядковим позитивним знаком», а зелені позначені «C l надіндексний негативний знак».

Сильне електростатичне тяжіння між Na ⁺ і Cl ^— іонами міцно утримує їх у твердому NaCl. Потрібно 769 кДж енергії, щоб дисоціювати один моль твердого NaCl на окремі газоподібні Na ⁺ і Cl ^— іони:

\[\ce{NaCl}(s)⟶\ce{Na+}(g)+\ce{Cl-}(g)\hspace{20px}ΔH=\mathrm{769\:kJ} \nonumber \]

Електронні структури катіонів

При утворенні катіона атом елемента основної групи має тенденцію втрачати всі свої валентні електрони, припускаючи тим самим електронну структуру благородного газу, що передує йому в таблиці Менделєєва. Для груп 1 (лужні метали) і 2 (лужноземельні метали) групові номери дорівнюють числам електронів валентної оболонки і, отже, зарядам катіонів, що утворюються з атомів цих елементів при видаленні всіх електронів валентної оболонки. ^{Наприклад, кальцій - це елемент групи 2, нейтральні атоми якого мають 20 електронів і наземну електронну конфігурацію 1 с 2, 2, 2, 2, р, 6, 3 с 2, 3, р, 6, 4 с 2.} . Коли атом Са втрачає обидва своїх валентних електронів, результатом є катіон з 18 електронами, заряд 2+ і електронна конфігурація 1 s 2 2 s ² p ⁶ 3 s ² s 2 s 2 3 s ² 3 p ⁶. Таким чином, іон Ca ^{2 +} є ізоелектронним з благородним газом Ar.

Для груп 12-17 числа груп перевищують кількість валентних електронів на 10 (враховуючи можливість повних d підоболонок в атомах елементів в четвертому і більшому періодах). Таким чином, заряд катіона, утворений втратою всіх валентних електронів, дорівнює номеру групи мінус 10. Наприклад, алюміній (в групі 13) утворює 3+ іонів (Al ^{3 +}).

Винятки з очікуваної поведінки включають елементи в нижній частині груп. Крім очікуваних іонів Tl ^{3 +}, Sn ^{4 +}, Pb ^{4 +} і Bi ^{5 +}, часткова втрата електронів валентної оболонки цих атомів також може призвести до утворення Tl ⁺, Sn ^{2 +} , Pb ^{2 +}, і Bi ^{3 +} іони. Утворення цих 1+, 2+ і 3+ катіонів пояснюється ефектом інертної пари, що відображає відносно низьку енергію валентної s -електронної пари для атомів важких елементів груп 13, 14 і 15. Меркурій (група 12) також проявляє несподівану поведінку: він утворює двоатомний іон,\(\ce{Hg_2^2+}\) (іон, утворений з двох атомів ртуті, з зв'язком Hg-Hg), крім очікуваного одноатомного іона Hg ^{2 +} (утворений лише з одного атома ртуті).

Перехідні і внутрішні перехідні металеві елементи поводяться інакше, ніж елементи основної групи. Більшість катіонів перехідних металів мають 2+ або 3+ заряди, які виникають внаслідок втрати їх найвіддаленіших електронів спочатку, іноді з подальшою втратою одного або двох d електронів від найближчої до зовнішньої оболонки. Наприклад, залізо (1 с ^{2, 2} с 2, ² р ⁶, 3 с ², 3 р, ⁶, 3 д ⁶, 4 с ²) утворює іон Fe ^{2 +} (1 с). ² 2 s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁶) втратою електронів 4 s і іона Fe ^{3 +} (1 с ^{2 2 2}) s ² 2 p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁵) втратою електронів 4 s і одного з 3 d електронів. Хоча d орбіталі перехідних елементів - відповідно до принципу Ауфбау - останніми заповнюються при нарощуванні електронних конфігурацій, зовнішні s електрони першими втрачаються, коли ці атоми іонізуються. Коли внутрішні перехідні метали утворюють іони, вони зазвичай мають 3+ заряд, що виникає в результаті втрати їх крайніх s електронів і a d або f електрона.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Determining the Electronic Structures of Cations

Існує щонайменше 14 елементів, віднесених до категорії «незамінних мікроелементів» для людського організму. Їх називають «есенціальними», тому що вони потрібні для здорових функцій організму, «сліду», тому що вони потрібні лише в невеликих кількостях, а «елементи» незважаючи на те, що вони дійсно є іонами. Два з цих необхідних мікроелементів, хром і цинк, необхідні як Cr ^{3 +} і Zn ^{2 +}. Запишіть електронні конфігурації цих катіонів.

Рішення

Спочатку запишіть електронну конфігурацію для нейтральних атомів:

• Зн: [Ар] 3 х ¹⁰ 4 х ²
• Автомобіль: [Ар] 3 д ⁵ 4 с ¹

Далі видаляємо електрони з орбіталі вищої енергії. Для перехідних металів електрони видаляються спочатку з орбіталі s, а потім з орбіталі d. Для елементів p -блоку електрони видаляються з орбіталів p, а потім з орбіталі s. Цинк входить до групи 12, тому він повинен мати заряд 2+, і таким чином втрачає лише два електрони в своїй орбіталі. Хром є перехідним елементом і повинен втрачати свої s електрони, а потім свої d електрони при утворенні катіону. Таким чином, ми знаходимо такі електронні конфігурації іонів:

• Зн ^{2 +}: [Ар] 3 х ¹⁰
• Кр ^{3 +}: [Ар] 3 д ³

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Калій і магній необхідні в нашому раціоні. Запишіть електронні конфігурації іонів, очікуваних від цих елементів.

Відповідь

K ⁺: [Ar], Мг ^{2 +}: [Ne]

 

Електронні структури аніонів

Більшість одноатомних аніонів утворюються, коли нейтральний неметалевий атом отримує достатньо електронів, щоб повністю заповнити свої зовнішні s і p орбіталі, тим самим досягаючи електронної конфігурації наступного благородного газу. Таким чином, визначити заряд на такому негативному іоні просто: заряд дорівнює кількості електронів, які необхідно отримати для заповнення s і p орбіталей батьківського атома. Кисень, наприклад, має електронну конфігурацію 1 s ² 2 s ^{2 2} p ⁴, тоді як аніон кисню має електронну конфігурацію неону благородного газу (Ne), 1 s ² 2 s ² 2 p ⁶. Два додаткових електрона, необхідні для заповнення валентних орбіталів, дають оксидному іону заряд 2— (O ^2—).

Приклад\(\PageIndex{2}\): Determining the Electronic Structure of Anions

Селен і йод - два необхідних мікроелемента, які утворюють аніони. Запишіть електронні конфігурації аніонів.

Рішення

Ср. ^{2 —}: [Ар] 3 д ¹⁰ 4 с ² 4 с ⁶

Я ^—: [Кр] 4 д ¹⁰ 5 с ² 5 п ⁶

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Запишіть електронні конфігурації атома фосфору та його негативного іона. Дайте заряд на аніон.

Відповідь

П: [Не] 3 s ² 3 p ³

P ^3—: [Не] 3 с ² 3 р ⁶

 

Резюме

Атоми отримують або втрачають електрони, утворюючи іони з особливо стабільними електронними конфігураціями. Заряди катіонів, утворених представницькими металами, можуть бути визначені легко, оскільки, за невеликим винятком, електронні структури цих іонів мають або конфігурацію благородного газу, або повністю заповнену електронну оболонку. Заряди аніонів, утворених неметалами, також можуть бути легко визначені, оскільки ці іони утворюються, коли атоми неметалів отримують достатньо електронів, щоб заповнити їх валентні оболонки.

Глосарій

ефект інертної пари

схильність важких атомів до утворення іонів, в яких їх валентність s електрони не втрачаються

іонний зв'язок

сильна електростатична сила тяжіння між катіонами та аніонами в іонній сполуці