§ 3. Ионная химическая связь

Определения и обозначения

Ион — атом или группа атомов с электрическим зарядом, который появляется при отдаче или присоединении электронов. Если число электронов изменилось, частица уже не нейтральна. Это понятие нужно, чтобы описывать состав солей и движение заряженных частиц.

Катион — положительно заряженный ион, образующийся при отдаче электронов. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому его потеря оставляет у атома избыток положительного заряда. Катионы обычно образуют атомы металлов, например Na⁺ и Ca²⁺.

Анион — отрицательно заряженный ион, возникающий при присоединении электронов. Получив дополнительные отрицательные частицы, атом приобретает отрицательный заряд. Анионы чаще всего образуют неметаллы: Cl⁻, O²⁻ и F⁻.

Ионная связь — химическая связь, возникающая вследствие электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. Сначала между атомами происходит переход электронов, а затем образовавшиеся частицы притягиваются. Так объясняют строение хлорида натрия и многих других ионных соединений.

Как это устроено

Атомы металлов обычно имеют сравнительно небольшое число валентных электронов и слабее удерживают их внешним энергетическим уровнем. Отдача таких электронов позволяет металлу перейти к более устойчивой конфигурации предыдущего уровня. Неметаллы, напротив, часто имеют почти заполненный внешний уровень, поэтому им энергетически выгоднее принять недостающие электроны. В результате обе частицы приближаются к устойчивой конфигурации благородного газа.

При образовании хлорида натрия атом натрия отдаёт один валентный электрон: Na → Na⁺ + e⁻. Атом хлора присоединяет этот электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻. После перехода электрона возникают катион Na⁺ и анион Cl⁻, причём суммарный заряд системы остаётся нулевым. Поэтому состав вещества записывают как NaCl: один ион натрия уравновешивает заряд одного иона хлора.

Ионы Na⁺ и Cl⁻ имеют противоположные заряды, поэтому между ними действует электростатическое притяжение. Оно не зависит от единственной пары атомов и направлено к любому ближайшему иону противоположного знака. Поэтому ионная связь не имеет определённого направления, в отличие от направленной ковалентной связи. Один ион взаимодействует сразу с несколькими соседями в кристалле.

Большое число катионов и анионов выстраивается в упорядоченную ионную кристаллическую решётку. Каждый ион окружён частицами противоположного заряда, а силы притяжения удерживают всю структуру. Формула ионного вещества показывает простейшее соотношение ионов, необходимое для электронейтральности, а не отдельную молекулу. Например, MgCl₂ означает соотношение один Mg²⁺ к двум Cl⁻.

Для разрушения ионной решётки нужно ослабить многочисленные электростатические взаимодействия, поэтому ионные вещества обычно плавятся при высокой температуре. В твёрдом кристалле ионы закреплены около определённых положений и не могут переносить заряд. При плавлении или растворении решётка разрушается, и ионы получают возможность перемещаться. Именно их направленное движение обеспечивает электрическую проводимость расплавов и растворов.

Особенности веществ с ионной связью

Сначала по первому столбцу определите, о каком свойстве спрашивается. Затем используйте второй столбец как краткий вывод, а третий — как объяснение причины.

Таблица помогает связать микроскопическое строение вещества с наблюдаемыми свойствами. Например, неподвижность ионов в решётке объясняет отсутствие проводимости твёрдого кристалла.

Разбор задач

Образование соединения кальция и фтора

Условие. Определите, какие ионы образуются из атомов кальция и фтора, и укажите тип связи в соединении. Нужно учесть число валентных электронов и электронейтральность полученного вещества.

1. Атом кальция имеет два валентных электрона, поэтому отдаёт их и превращается в катион: Ca → Ca²⁺ + 2e⁻.
2. Каждый атом фтора принимает по одному электрону: F + e⁻ → F⁻.
3. Два электрона кальция принимают два атома фтора, поэтому образуется соотношение Ca²⁺ : F⁻ = 1 : 2.
4. Притяжение Ca²⁺ и F⁻ является ионной связью, а формула соединения — CaF₂.

Ответ. Образуются ионы Ca²⁺ и F⁻, причём на один ион кальция приходятся два иона фтора. В CaF₂ присутствует ионная связь, потому что электроны переходят от металла к неметаллу.

Схема образования MgCl₂

Условие. Составьте схему образования хлорида магния из атомов магния и хлора. Покажите переход электронов, заряды ионов и их соотношение.

1. Магний отдаёт два внешних электрона: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻.
2. Один атом хлора принимает только один электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻.
3. Чтобы принять оба электрона магния, нужны два атома хлора: 2Cl + 2e⁻ → 2Cl⁻.
4. Ионы соединяются в электронейтральном соотношении Mg²⁺ + 2Cl⁻, поэтому формула вещества — MgCl₂.

Ответ. Схема имеет вид Mg → Mg²⁺ + 2e⁻; 2Cl + 2e⁻ → 2Cl⁻; Mg²⁺ + 2Cl⁻ → MgCl₂. Связь между ионами Mg²⁺ и Cl⁻ ионная.

Проводимость хлорида натрия

Условие. Объясните, почему твёрдый NaCl не проводит ток, а расплав и водный раствор проводят. Сравнить нужно не состав вещества, а подвижность его частиц.

1. В кристалле NaCl ионы Na⁺ и Cl⁻ занимают узлы решётки и могут лишь колебаться около них.
2. Закреплённые ионы не перемещаются направленно, поэтому не переносят электрический заряд.
3. При плавлении решётка разрушается, а ионы становятся подвижными и проводят ток.
4. В воде кристалл распадается на гидратированные ионы Na⁺ и Cl⁻, которые также перемещаются под действием электрического поля.

Ответ. Твёрдый NaCl не проводит электричество из-за неподвижности ионов. Его расплав и раствор проводят ток, потому что в них заряженные частицы свободно перемещаются.

Типичные ошибки

Ошибка — считать ионную связь общей электронной парой. Её допускают, смешивая ионную связь с ковалентной, где электроны действительно обобществляются. Проверьте себя: для ионной связи должны быть переход электронов и притяжение готовых ионов.

Ошибка — записывать формулу соли как отдельную молекулу. Причина в том, что запись NaCl внешне похожа на молекулярную формулу, хотя в кристалле нет отдельных частиц NaCl. Проверка проста: определите ионную решётку и соотношение зарядов ионов.

Ошибка — путать знаки зарядов ионов. При отдаче электронов частица становится катионом с плюсом, а при присоединении — анионом с минусом. Чтобы проверить знак, сравните число протонов и электронов после перехода.

Ошибка — утверждать, что любое ионное вещество проводит ток в твёрдом состоянии. Ионы в кристалле есть, но они закреплены и не могут перемещаться направленно. Вспомните условие проводимости: нужны свободно движущиеся заряженные частицы.

Связь с другими темами

Для понимания ионной связи нужны знания о строении атома, валентных электронах, электронейтральности и электроотрицательности. По числу внешних электронов можно предположить, отдаст атом электрон или примет его.

Эта тема помогает изучать соли, оксиды и основания, а также электролитическую диссоциацию и растворы. Она необходима при объяснении реакций ионного обмена, где взаимодействуют уже существующие ионы.

Что запомнить

• Ионная связь основана на электростатическом притяжении противоположно заряженных ионов.
• Катион имеет положительный заряд, анион — отрицательный.
• Металлы обычно образуют катионы, а неметаллы — анионы.
• При образовании ионного соединения электроны переходят от одного атома к другому.
• Ионные вещества образуют кристаллические решётки.
• Твёрдые ионные вещества обычно не проводят ток, а расплавы и растворы проводят.
• Формула ионного соединения показывает простейшее соотношение его ионов.