§ 12. Ионная связь

Определения и обозначения

Ион — заряженная частица, образовавшаяся из атома или группы атомов при потере или присоединении электронов. В нейтральном атоме число протонов и электронов одинаково, а изменение числа электронов нарушает это равновесие. Понятие иона помогает описать, какие частицы возникают при взаимодействии веществ.

Катион — положительно заряженный ион, который образуется при отдаче атомом одного или нескольких электронов. После потери отрицательно заряженных электронов в частице остаётся избыток положительного заряда. Обозначение Na⁺, например, показывает, что ион натрия имеет заряд +1.

Анион — отрицательно заряженный ион, который образуется при присоединении атомом одного или нескольких электронов. В частице появляется избыток отрицательного заряда, потому что электронов становится больше, чем протонов. Знак − в записи Cl⁻ указывает на заряд иона хлора, равный −1.

Ионная связь — химическая связь, возникающая благодаря электростатическому притяжению противоположно заряженных ионов. Она объединяет катионы и анионы в вещество, хотя между ними нет общей электронной пары, как при ковалентной связи. Это определение позволяет связать способ образования частиц со строением и свойствами вещества.

Как это устроено

Атомы стремятся к более устойчивому состоянию, и для многих из них оно связано с заполненным внешним электронным слоем. У атомов металлов на внешнем слое обычно немного электронов, поэтому отдать их проще, чем присоединить много новых. Атомы неметаллов, напротив, часто близки к заполнению слоя и могут принять недостающие электроны. Поэтому металлы обычно становятся катионами, а неметаллы — анионами, хотя это общее правило, а не описание каждого возможного случая.

При образовании хлорида натрия атом натрия передаёт один внешний электрон атому хлора. Натрий после потери электрона превращается в катион Na⁺, а хлор после его присоединения — в анион Cl⁻. Число электронов, потерянных одним атомом, соответствует числу электронов, принятых другим, поэтому заряд не исчезает, а распределяется между частицами. Записи Na → Na⁺ и Cl → Cl⁻ показывают результат изменения электронных оболочек, а не возникновение новых элементов.

Катион и анион имеют заряды разных знаков, поэтому притягиваются электростатически; это притяжение и связывает их. Частицы с одинаковыми зарядами, напротив, отталкиваются, так как взаимодействие одноимённых зарядов не удерживает их рядом. В веществе притяжение действует не только между одной парой ионов: каждый ион взаимодействует с окружающими частицами противоположного заряда. Поэтому ионную связь описывают как притяжение ионов, а не как отдельную «скрепку» между двумя атомами.

В твёрдом ионном веществе частицы образуют ионную кристаллическую решётку — упорядоченное расположение ионов в пространстве. Катионы и анионы чередуются так, чтобы притяжение противоположных зарядов сочеталось с отталкиванием одноимённых. Формула такого вещества показывает простейшее целочисленное соотношение ионов, а не обязательно отдельную молекулу. Например, NaCl означает равное число ионов Na⁺ и Cl⁻, а MgCl₂ — два Cl⁻ на один Mg²⁺, чтобы суммарный заряд был нулевым.

Сильное притяжение в решётке помогает объяснить высокие температуры плавления: чтобы расплавить кристалл, нужно ослабить взаимодействие между ионами. Ионные кристаллы хрупкие: если слои сдвигаются, рядом могут оказаться одноимённо заряженные частицы, их отталкивание разрушает решётку. Растворимость зависит от того, насколько взаимодействия ионов с частицами растворителя способны разделить кристалл, поэтому растворяются не все ионные вещества одинаково. В твёрдом состоянии ионы закреплены, а в расплаве и растворе они могут перемещаться и переносить электрический заряд.

Ионы и ионная связь

Сначала по таблице можно определить заряд частицы и понять, потеряла она электроны или приняла их. Затем сравните катион с анионом: связь возникает между ними благодаря притяжению зарядов противоположных знаков. Последняя строка помогает отличить свойства отдельных ионов от роли связи в целом веществе.

Разбор задач

Образование связи в NaCl

Условие. Объясните образование ионной связи в хлориде натрия NaCl и назовите образующиеся ионы. Чтобы ответить, нужно проследить изменение электронов у каждого атома, а затем определить, какое взаимодействие удерживает частицы вместе. Заряды ионов также покажут, почему формула содержит их поровну.

1. Атом натрия отдаёт один электрон, поэтому образуется положительный ион Na⁺.
2. Атом хлора принимает этот электрон и превращается в отрицательный ион Cl⁻.
3. Ионы Na⁺ и Cl⁻ притягиваются из-за противоположных зарядов; в кристалле они входят в общую решётку.

Ответ. В хлориде натрия образуются ионы Na⁺ и Cl⁻, а ионная связь возникает благодаря их электростатическому притяжению. Один катион и один анион дают суммарный заряд +1 − 1 = 0, поэтому соотношение частиц соответствует формуле NaCl.

Формула соединения магния и хлора

Условие. Составьте формулу соединения магния и хлора, если магний образует ион Mg²⁺, а хлор — ион Cl⁻. Формула должна показывать наименьшее целое соотношение ионов. Главная проверка — суммарный заряд всего соединения должен быть равен нулю.

1. Запишите заряды частиц: Mg²⁺ имеет заряд +2, каждый Cl⁻ — заряд −1.
2. Подберите число анионов, которое уравновесит заряд катиона: два иона Cl⁻ дают суммарный заряд −2.
3. Проверьте электронейтральность: +2 + 2 × (−1) = 0. Запишите один символ Mg и два символа Cl, поставив индекс 2 у хлора.

Ответ. Формула соединения — MgCl₂. В нём на один ион Mg²⁺ приходятся два иона Cl⁻, а индексы показывают простейшее соотношение частиц, а не заряд всей формулы.

Проводимость NaCl

Условие. Объясните, почему твёрдый хлорид натрия не проводит электрический ток, а его расплав проводит. Для объяснения нужно установить, какие частицы переносят заряд, и сравнить возможность их движения в кристалле и в расплаве. Само наличие заряженных ионов ещё не означает, что вещество проводит ток.

1. В твёрдом NaCl ионы находятся в узлах кристаллической решётки и не могут свободно перемещаться по всему веществу.
2. Без направленного движения заряженных частиц электрический ток через кристалл не проходит.
3. При плавлении упорядоченная решётка разрушается, ионы становятся подвижными и могут переносить заряд.

Ответ. Твёрдый хлорид натрия не проводит ток, потому что его ионы закреплены в решётке. Расплав NaCl проводит электрический ток благодаря движению ионов Na⁺ и Cl⁻.

Типичные ошибки

Катион иногда ошибочно называют отрицательной частицей, потому что путают знак заряда с числом переданных электронов. Но при отдаче отрицательно заряженных электронов у атома остаётся избыток положительного заряда. Проверьте себя: катион образовался при потере электронов — значит, его заряд положителен.

Другая ошибка — считать, что связь возникает прямо между нейтральными атомами. Такая формулировка пропускает важный этап: сначала электрон переходит от одного атома к другому и образуются ионы, а затем частицы разных знаков притягиваются. Чтобы проверить объяснение, назовите оба иона и укажите, почему они притягиваются.

Если записать формулу, не проверив заряды, соединение может оказаться неэлектронейтральным. Например, запись MgCl не уравновешивает заряд Mg²⁺ зарядом одного Cl⁻: итог был бы +1. Сложите заряды всех ионов в формуле; правильное соотношение даёт сумму 0.

Иногда утверждают, что твёрдые ионные вещества хорошо проводят электричество, потому что в них есть заряженные частицы. Однако в кристаллической решётке ионы закреплены и не переносят заряд через вещество. Спросите себя, могут ли частицы свободно перемещаться: в расплаве и растворе — могут, а в твёрдом кристалле — обычно нет.

Связь с другими темами

Для понимания ионной связи нужны знания о строении атома, числе электронов на внешнем слое и различиях между металлами и неметаллами. С ковалентной связью её полезно сравнивать по способу взаимодействия: передача электронов приводит к ионам, а образование общих электронных пар — к ковалентной связи. Позже представление о подвижных ионах поможет разбирать электролитическую диссоциацию, растворы и реакции обмена. Эти темы используют понятия ионов и их зарядов, поэтому умение составлять электронейтральные формулы пригодится и там.

Что запомнить

• Ион — заряженная частица, возникшая при потере или присоединении электронов.
• Катионы имеют положительный заряд, а анионы — отрицательный.
• Металлы обычно отдают электроны и превращаются в катионы.
• Неметаллы обычно принимают электроны и превращаются в анионы.
• Ионная связь — электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов.
• Формула ионного соединения отражает такое соотношение частиц, при котором их суммарный заряд равен нулю.
• Ионные вещества проводят ток в расплавах и растворах, но обычно не проводят его в твёрдом состоянии.