§ 46. Ионная связь и её свойства

Определения и обозначения

Ионная связь — химическая связь, возникающая вследствие электростатического притяжения противоположно заряженных ионов. Электростатическим называют взаимодействие электрических зарядов: разноимённые заряды притягиваются. Это понятие помогает понять, почему частицы удерживаются вместе в ионных веществах.

Катион — положительно заряженный ион, который образуется, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому после их потери положительный заряд атомного ядра начинает преобладать. Знак «+» в записи, например Na⁺, показывает заряд катиона.

Анион — отрицательно заряженный ион, образующийся при присоединении атомом электронов. Дополнительные электроны увеличивают отрицательный заряд частицы. Знак «−» в записи Cl⁻ указывает на заряд аниона; различие зарядов помогает определить, какие ионы будут притягиваться.

Ионная кристаллическая решётка — упорядоченное расположение катионов и анионов в веществе. Ионы занимают определённые места и повторяются в пространстве, а не образуют отдельные пары-молекулы. Это понятие нужно, чтобы объяснять свойства кристаллов через расположение и подвижность частиц.

Как это устроено

У атома натрия 11 электронов, а у атома хлора — 17. В ходе образования хлорида натрия натрий отдаёт один электрон, а хлор его принимает: Na → Na⁺ + e⁻ и Cl + e⁻ → Cl⁻. У натрия после потери электрона остаётся избыток положительного заряда, а у хлора после присоединения появляется избыток отрицательного. Так появляются ионы с зарядами +1 и −1.

Заряд определяет взаимодействие частиц: положительный Na⁺ притягивается к отрицательному Cl⁻. Это электростатическое притяжение и связывает ионы в соединение. Притяжение действует не только между одной выбранной парой, поэтому в кристалле каждый ион взаимодействует с окружающими его ионами противоположного заряда.

В ионном соединении притяжение распространяется во всех направлениях, а ионы образуют общую кристаллическую структуру. Поэтому запись NaCl не обозначает отдельную молекулу из двух частиц. Она показывает простейшее соотношение: на один катион Na⁺ приходится один анион Cl⁻, так что суммарный заряд вещества равен нулю. Для других соединений соотношение ионов подбирают по тому же правилу электронейтральности.

Катионы и анионы занимают упорядоченные места в решётке, поэтому ионные кристаллы обычно твёрдые. Когда слои решётки смещаются, рядом могут оказаться одноимённо заряженные ионы; их отталкивание вызывает раскол кристалла. Так объясняется сочетание твёрдости и хрупкости: решётка сопротивляется изменению формы, но при смещении частиц легко разрушается.

В твёрдом веществе ионы закреплены в узлах решётки и не могут свободно перемещаться. Поэтому они не переносят электрический заряд через кристалл. При плавлении решётка разрушается, а в водном растворе ионы отделяются друг от друга и становятся подвижными. Перемещаясь, они переносят заряд, поэтому расплавы и растворы ионных веществ проводят электрический ток.

Свойства ионных веществ и их объяснение

Сначала прочитай проявление свойства, а затем проверь, объясняет ли его строение решётки и подвижность ионов. Например, неподвижность частиц объясняет отсутствие проводимости в твёрдом состоянии. При плавлении или растворении ионы становятся подвижными, поэтому проводимость появляется.

Разбор задач

Задача 1. У атома натрия 11 электронов, у атома хлора — 17. Определите, какие ионы образуются при формировании хлорида натрия. Нужно проследить передачу одного электрона и сравнить заряд атома до и после неё.

1. Атом натрия отдаёт один электрон. Число отрицательных зарядов уменьшается на единицу, поэтому образуется катион Na⁺.
2. Атом хлора принимает этот электрон. Число отрицательных зарядов увеличивается на единицу, поэтому образуется анион Cl⁻.
3. Проверяем: заряды +1 и −1 противоположны и в сумме дают ноль, что соответствует электронейтральности соединения.

Ответ: образуются ионы Na⁺ и Cl⁻.

Задача 2. Составьте формулу соединения ионов Mg²⁺ и Cl⁻. Формула должна показывать такое простейшее соотношение частиц, чтобы суммарный заряд был равен нулю.

1. Записываем заряды: ион магния имеет заряд +2, а каждый хлорид-ион — заряд −1.
2. Одного иона Cl⁻ недостаточно: вместе с Mg²⁺ заряд пары был бы +1. Два иона Cl⁻ дают суммарный заряд −2.
3. Соединяем один Mg²⁺ с двумя Cl⁻: (+2) + 2 × (−1) = 0. В формуле индекс 2 ставят после символа хлора, а индекс 1 у магния не пишут.

Ответ: MgCl₂. Формула обозначает соотношение ионов один к двум, а не отдельную молекулу.

Задача 3. Почему твёрдый хлорид натрия не проводит электрический ток, а его расплав проводит? Для ответа нужно выяснить, могут ли заряженные частицы перемещаться в каждом состоянии.

1. В твёрдом NaCl ионы Na⁺ и Cl⁻ удерживаются в узлах кристаллической решётки. Они не перемещаются по веществу и не переносят заряд.
2. При плавлении упорядоченная решётка разрушается. Ионы получают возможность двигаться, хотя сохраняют свои заряды.
3. Подвижные ионы в расплаве переносят электрический заряд, поэтому расплав проводит ток.

Ответ: твёрдая соль не проводит ток из-за неподвижности ионов, а расплав проводит благодаря их подвижности.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при образовании ионной связи ионы теряют свои заряды. Напротив, притяжение возможно именно потому, что катион и анион имеют противоположные заряды. Такое заблуждение возникает, если представить связь как исчезновение заряженных частиц. Проверь себя: в записи Na⁺ и Cl⁻ заряды сохраняются, а их сумма равна нулю.

Ошибка — называть формулу ионного соединения формулой отдельной молекулы. В кристалле притяжение действует во всех направлениях, поэтому формула указывает соотношение ионов. Обычно молекула представляется отдельной группой атомов, но NaCl в твёрдом веществе устроен как решётка. Проверка: сложи заряды в формульной единице — они должны взаимно компенсироваться.

Ошибка — полагать, что твёрдые ионные вещества проводят ток. Заряженные частицы сами по себе ещё не обеспечивают проводимость: они должны перемещаться. В твёрдом кристалле ионы закреплены в решётке, поэтому проверь, есть ли у них возможность двигаться; если нет, переноса заряда не происходит.

Ошибка — считать, что ионное вещество проводит ток только в растворе. Расплав тоже проводит, потому что при плавлении ионы освобождаются от фиксированных мест в решётке. Это заблуждение связано с тем, что растворы чаще приводят как пример проводящих сред. Для проверки сравни состояние вещества: решётка разрушена и ионы подвижны и в растворе, и в расплаве.

Связь с другими темами

Для понимания ионной связи нужны знания о строении атома и электронной оболочке: они помогают определить, сколько электронов атом может отдать или присоединить. Далее тема связывает состав вещества с его кристаллическим строением и физическими свойствами. Эти знания пригодятся при изучении солей, электролитической диссоциации — распада веществ на ионы в растворе — и электропроводности растворов.

Что запомнить

• Ионная связь основана на притяжении противоположно заряженных ионов.
• Катионы имеют положительный заряд, анионы — отрицательный.
• Формула ионного соединения показывает соотношение ионов, при котором суммарный заряд равен нулю.
• Большинство ионных веществ при комнатной температуре — твёрдые кристаллические вещества.
• Ионные кристаллы твёрдые, но хрупкие.
• Твёрдые ионные вещества обычно не проводят электрический ток.
• Расплавы и водные растворы ионных веществ проводят ток благодаря подвижным ионам.