"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Ионная связь возникает благодаря притяжению положительных и отрицательных ионов. Ионы появляются, когда атомы отдают или присоединяют электроны: обычно металл отдаёт электроны, а неметалл принимает их. Так образуются, например, ионы натрия Na⁺ и хлора Cl⁻. В ионных веществах частицы обычно расположены в упорядоченной кристаллической решётке, а не собраны в отдельные молекулы. Формулу такого вещества составляют так, чтобы суммарный заряд ионов был равен нулю.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионная связь — связь, возникающая вследствие электростатического притяжения положительных и отрицательных ионов. Электростатическим называют взаимодействие электрических зарядов: противоположные заряды притягиваются. Это определение помогает отличить причину связи от событий, которые приводят к её возникновению. Ионная связь удерживает частицы вместе в составе ионного вещества.
Ион — электрически заряженная частица, образовавшаяся при отдаче или присоединении электронов атомом. Если электронов стало меньше, чем протонов, заряд будет положительным; если больше — отрицательным. Ионы обозначают символом элемента и зарядом сверху, например Na⁺ или Cl⁻. Это понятие нужно, чтобы описывать частицы, из которых состоят ионные соединения.
Катион — положительный ион, возникающий, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Протоны атома остаются на месте, поэтому после потери отрицательно заряженных электронов общий заряд становится положительным. Например, атом натрия, отдав один электрон, превращается в Na⁺. Термин нужен, чтобы отдельно называть ионы с положительным зарядом и правильно читать их обозначения.
Анион — отрицательный ион, возникающий, когда атом присоединяет один или несколько электронов. Число электронов становится больше числа протонов, поэтому частица получает отрицательный заряд. Так атом хлора при присоединении одного электрона образует Cl⁻. Название помогает отличать такие ионы от катионов и понимать, как меняется заряд частицы.
У атомов металлов на внешнем электронном слое часто находится небольшое число электронов. Отдать эти электроны обычно энергетически выгоднее, чем присоединить много недостающих для заполнения слоя; после отдачи внешний слой исчезает, и под ним может оказаться более устойчивый заполненный слой. У неметаллов внешний слой обычно близок к заполнению, поэтому им часто легче принять несколько электронов, чем отдать свои. Это общая закономерность, а не правило без исключений: конкретное превращение зависит от вещества и условий.
При образовании хлорида натрия один атом натрия передаёт один электрон атому хлора. Запись Na → Na⁺ + e⁻ показывает, что натрий потерял электрон и стал катионом; запись Cl + e⁻ → Cl⁻ показывает, что хлор принял его и стал анионом. Электрон не исчезает: он переходит от одного атома к другому. В результате возникли две заряженные частицы, Na⁺ и Cl⁻, а не нейтральные атомы, связанные передачей электрона.
Ионы Na⁺ и Cl⁻ имеют противоположные заряды, поэтому притягиваются друг к другу. Именно это электростатическое притяжение и называется ионной связью. Передача электрона подготовила появление заряженных частиц, но сама по себе связью не является: связь возникает благодаря взаимодействию уже получившихся ионов. Чем ближе противоположно заряженные частицы, тем заметнее их притяжение; одновременно на расположение ионов влияют и отталкивания одноимённых зарядов.
Ионное притяжение не направлено только к одному соседу: катион может притягиваться к нескольким окружающим анионам, а анион — к нескольким катионам. Поэтому ионы выстраиваются в упорядоченную трёхмерную кристаллическую решётку, где частицы чередуются так, чтобы притяжение и отталкивание складывались устойчивым образом. В обычном кристалле хлорида натрия нет отдельных пар Na⁺ и Cl⁻, которые можно было бы считать самостоятельными молекулами. Формула NaCl показывает соотношение ионов в веществе — один к одному, а не отдельную молекулу.
Формулу ионного соединения составляют так, чтобы общий заряд формульной единицы был равен нулю. Формульная единица — условная запись минимального целочисленного соотношения ионов в составе решётки. Например, заряд одного Mg²⁺ компенсируют два иона Cl⁻: (+2) + 2 × (−1) = 0, поэтому формула — MgCl₂. Индексы показывают количество ионов каждого вида; если ион представлен один раз, индекс 1 не пишут.
| Частица или соединение | Как образуется | Заряд или соотношение частиц | Пример |
|---|---|---|---|
| Катион | Атом отдаёт один или несколько электронов | Положительный заряд | Na⁺ |
| Анион | Атом присоединяет один или несколько электронов | Отрицательный заряд | Cl⁻ |
| Ионная связь | Возникает из-за притяжения противоположно заряженных ионов | Притяжение катионов и анионов | Na⁺ и Cl⁻ в NaCl |
| Формульная единица ионного соединения | Записывает наименьшее целочисленное соотношение ионов | Суммарный заряд равен нулю | MgCl₂ |
Сначала определите, какой заряд имеют образующиеся ионы, затем найдите соотношение, при котором заряды взаимно компенсируются. Столбец с примерами показывает, как обозначение частицы отличается от формулы вещества. После составления записи обязательно проверьте, что общий заряд равен нулю.
Условие. Покажите образование ионов при взаимодействии натрия и хлора и запишите их обозначения. Нужно проследить, куда переходит электрон, и определить заряды частиц. Натрий — металл, а хлор — неметалл.
Ответ. Образуются катион Na⁺ и анион Cl⁻. Передача электрона создаёт ионы, а притяжение этих ионов является ионной связью. Их соотношение в хлориде натрия равно 1:1.
Условие. Составьте формулу соединения ионов Mg²⁺ и Cl⁻. Один ион магния несёт заряд +2, а один ион хлора — заряд −1. Подберём наименьшее количество частиц, чтобы общий заряд стал нулевым.
Ответ. Формула соединения — MgCl₂. В формульной единице один ион Mg²⁺ и два иона Cl⁻. Их суммарный заряд равен нулю.
Условие. Составьте формулу соединения, если образуются ионы Al³⁺ и O²⁻, и объясните их соотношение. Заряды этих ионов не компенсируются в соотношении один к одному. Нужно найти наименьшее число частиц каждого вида, чтобы общий заряд исчез.
Ответ. Формула соединения — Al₂O₃. Ионы находятся в соотношении 2:3, потому что именно так их суммарные заряды взаимно компенсируются. Это наименьшее целое соотношение.
Называть ионную связь передачей электрона — ошибка: передача приводит к образованию ионов, а связь появляется из-за их электростатического притяжения. Путаница возникает потому, что оба события происходят при образовании ионного соединения. Проверьте себя: отдельно запишите превращение атомов в ионы и отдельно назовите притяжение между ними.
Считать, что ионное соединение состоит из отдельных молекул, неверно для обычного ионного кристалла. Так можно подумать, потому что формулу вроде NaCl легко принять за запись одной пары частиц. Проверьте смысл формулы: она показывает соотношение ионов в решётке, а не отдельную молекулу.
Путать знак заряда с изменением числа электронов — значит неверно определять тип иона. Знак «плюс» не означает, что атом получил положительные частицы: он возникает, когда атом теряет отрицательно заряженные электроны. Для проверки сравните число электронов и протонов: потеря электронов даёт катион, присоединение — анион.
Записывать индексы, не проверяя общий заряд, опасно: формула может описывать заряженную частицу вместо нейтральной формульной единицы. Ошибка часто появляется, когда индексы механически переносят из зарядов, не проверяя результат. Умножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите: сумма должна быть равна нулю.
Для изучения ионной связи нужны знания о строении атома и распределении электронов по оболочкам: они помогают понять, почему атомы отдают или принимают электроны. Представления о металлах и неметаллах позволяют предположить, какие частицы образуются при взаимодействии. Электронейтральность вещества объясняет, почему заряды ионов в формуле должны взаимно компенсироваться. Эти знания понадобятся при составлении формул солей и изучении свойств ионных соединений.
Почему атомы металлов обычно отдают электроны?
У атомов металлов на внешнем электронном слое обычно мало электронов, поэтому отдать их часто легче, чем присоединить недостающие до завершённого слоя. После отдачи атом превращается в положительный ион.
Чем катион отличается от аниона?
Катион имеет положительный заряд, потому что атом потерял один или несколько электронов. Анион заряжен отрицательно: атом присоединил электроны.
Почему передачу электрона нельзя считать ионной связью?
Передача электрона изменяет состав частиц и приводит к появлению ионов. Ионная связь — это притяжение между уже образовавшимися противоположно заряженными ионами.
Почему у ионного соединения обычно нет отдельных молекул?
Ионы притягиваются не только друг к другу попарно, но и к соседним ионам противоположного заряда во всех направлениях. Поэтому они образуют общую кристаллическую решётку, а не отдельные молекулы.
Как проверить, правильно ли составлена формула ионного соединения?
Нужно умножить заряд каждого иона на число таких ионов в формуле, а затем сложить полученные заряды. Правильная формульная единица электронейтральна: сумма зарядов равна нулю.
§ 52. Ионная связь
