§ 52. Ионная связь

Определения и обозначения

Ион — электрически заряженная частица, образовавшаяся из атома или группы атомов при потере или присоединении электронов. В отличие от нейтрального атома, у иона число электронов не равно числу протонов. Это понятие помогает описывать частицы, из которых состоят многие вещества.

Катион — положительно заряженный ион, который образуется при отдаче электронов. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому после их потери в частице остаётся избыток положительного заряда. Обозначение Na⁺, например, показывает заряд катиона натрия.

Анион — отрицательно заряженный ион, который образуется при присоединении электронов. Получив дополнительные отрицательно заряженные частицы, атом приобретает общий отрицательный заряд. Так обозначение Cl⁻ сообщает, что хлорид-ион заряжен отрицательно.

Ионная связь — химическая связь, возникающая благодаря электростатическому притяжению противоположно заряженных ионов. Она удерживает катионы и анионы рядом в составе вещества. Это определение объясняет, почему частицы с разными знаками заряда образуют устойчивые соединения.

Как это устроено

При взаимодействии атомов металла и неметалла электроны обычно переходят от металла к неметаллу. У атомов металлов на внешнем электронном уровне часто находится небольшое число электронов, и отдать их проще, чем присоединить недостающие до заполнения уровня. У неметаллов внешний уровень нередко почти заполнен, поэтому принять несколько электронов для них выгоднее, чем потерять многие. Так строение внешних оболочек объясняет направление перехода электронов.

После перехода электронов нейтральные атомы становятся ионами, потому что число электронов меняется, а число протонов остаётся прежним. Атом натрия отдаёт один электрон: у него оказывается на один электрон меньше, чем протонов, и образуется Na⁺. Атом хлора присоединяет этот электрон: электронов становится на один больше, чем протонов, поэтому возникает Cl⁻. В итоге частицы имеют противоположные заряды.

Катион и анион притягиваются, поскольку электрические заряды разных знаков притягивают друг друга. Это электростатическое взаимодействие и называется ионной связью. Она не ограничивается одной строго определённой парой ионов: каждый ион может одновременно притягиваться к нескольким соседним ионам противоположного заряда. Поэтому ионное вещество образует общее упорядоченное соединение частиц.

В твёрдом веществе ионы располагаются в кристаллической решётке — повторяющейся упорядоченной структуре. Каждый катион окружён анионами, а каждый анион — катионами; такая организация позволяет распределить притяжение по всему веществу. Отдельной молекулы NaCl в такой решётке нет: частицы образуют непрерывную структуру. Поэтому формула NaCl показывает, что на один ион натрия приходится один ион хлора, а не состав отдельной молекулы.

Формулу ионного соединения составляют так, чтобы суммарный заряд всех ионов в ней был равен нулю. Для этого учитывают величины зарядов и подбирают наименьшее целое соотношение частиц. Например, для Mg²⁺ и Cl⁻ нужны два хлорид-иона на один ион магния: +2 + 2 · (−1) = 0, поэтому формула — MgCl₂. Индексы показывают число ионов каждого вида в этом соотношении.

Образование и свойства ионов

Сравнивайте прежде всего знак заряда и то, что происходит с электронами: отдача приводит к катиону, присоединение — к аниону. Типичные элементы помогают предположить, какой ион образуется, но заряд конкретного иона нужно проверять по условию или составу вещества. Примеры показывают, что заряд может быть не только единичным.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, какой ион образует атом натрия при отдаче одного электрона, и запишите его обозначение. Нужно определить знак заряда частицы после изменения числа электронов. Проверим, сколько отрицательно заряженных частиц потерял атом.

1. Атом натрия отдаёт один электрон, имеющий заряд −1.
2. Протонов в ядре не становится меньше, а электронов становится на один меньше.
3. Положительный заряд протонов перевешивает на единицу, поэтому образуется катион Na⁺.

Ответ: ион натрия Na⁺. При потере отрицательного заряда атом становится положительно заряженным.

Задача 2. Составьте формулу соединения ионов Mg²⁺ и Cl⁻. Формула должна описывать наименьшее целое соотношение частиц, а заряд всего соединения должен быть нулевым. Сначала компенсируем заряд катиона магния.

1. Один ион Mg²⁺ имеет заряд +2, а один ион Cl⁻ — заряд −1.
2. Чтобы уравновесить +2, нужны два иона хлора с общим зарядом −2.
3. Записываем один атом магния и два атома хлора: MgCl₂. Проверяем: +2 + 2 · (−1) = 0.

Ответ: MgCl₂. Индекс 2 относится к хлору, а отсутствие индекса у магния означает, что его ион взят один.

Задача 3. Составьте формулу соединения ионов Al³⁺ и O²⁻ и проверьте электронейтральность полученного вещества. Здесь заряды не уравновешиваются одним катионом и одним анионом. Поэтому подберём общее число положительных и отрицательных зарядов.

1. Наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6: суммарный заряд катионов должен быть +6, а анионов — −6.
2. Для заряда +6 нужны два иона Al³⁺, а для заряда −6 — три иона O²⁻.
3. Записываем индексы по числу ионов: Al₂O₃. Проверка: 2 · (+3) + 3 · (−2) = +6 − 6 = 0.

Ответ: Al₂O₃; суммарный заряд формульной единицы равен нулю, значит, вещество электронейтрально.

Типичные ошибки

Считать, что при образовании катиона атом теряет протоны, — ошибка: при химических превращениях изменяется число электронов, а ядро и число протонов не меняются. Так могут подумать, если связывать положительный заряд только с ядром. Проверьте себя: катион натрия Na⁺ по-прежнему имеет 11 протонов, но на один электрон меньше, чем нейтральный атом.

Путать знаки зарядов тоже легко, если не учитывать заряд электрона. Отдача отрицательно заряженных электронов делает частицу положительной, а присоединение электронов — отрицательной. Для проверки спросите себя: электронов стало меньше или больше относительно числа протонов?

Формулу нельзя записывать, не учитывая заряды ионов: соединение должно быть электрически нейтральным. Ошибка часто возникает, когда индексы ставят по догадке, а не проверяют сумму зарядов. Умножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите результаты; сумма должна равняться нулю.

Формула ионного соединения — не формула отдельной молекулы. Такое заблуждение появляется из-за привычки читать формулы как обозначения молекул. В твёрдом веществе ионы образуют общую кристаллическую решётку, а формула указывает их простейшее соотношение; например, NaCl означает один ион натрия на один ион хлора.

Связь с другими темами

Чтобы понять образование ионов, нужно знать строение атома, заряды протона и электрона и распределение электронов по внешнему уровню. Представление о химической связи помогает объяснить, почему ионы притягиваются и удерживаются вместе. Эти знания пригодятся при изучении состава и свойств солей и других ионных соединений. Умение определять заряды ионов помогает составлять формулы веществ и записывать уравнения реакций.

Что запомнить

• Ион — частица с электрическим зарядом.
• При отдаче электронов образуется катион.
• При присоединении электронов образуется анион.
• Ионная связь обусловлена притяжением противоположно заряженных ионов.
• Ионные вещества в твёрдом состоянии образуют кристаллические решётки.
• Формула ионного соединения отражает соотношение ионов, обеспечивающее суммарный заряд ноль.