"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Ионная химическая связь возникает, когда противоположно заряженные частицы — катионы и анионы — притягиваются друг к другу. Обычно атом металла отдаёт электроны и становится катионом, а атом неметалла принимает их и становится анионом. В твёрдом веществе ионы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Знание зарядов ионов помогает понять, как устроены ионные вещества и почему их формулы должны быть электрически нейтральными.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионная химическая связь — это притяжение противоположно заряженных ионов. Она возникает после того, как атомы превратились в ионы; притяжение помогает понять, почему частицы удерживаются вместе в веществе.
Катион — положительно заряженный ион, образующийся при отдаче атомом одного или нескольких электронов. Например, если атом натрия отдаёт электрон, он становится Na⁺. Понятие катиона нужно, чтобы правильно определить знак заряда иона металла.
Анион — отрицательно заряженный ион, который образуется, когда атом присоединяет электроны. Приняв один электрон, атом хлора превращается в Cl⁻. Различение анионов и катионов помогает объяснить, какие частицы притягиваются в ионном веществе.
Ионная кристаллическая решётка — упорядоченное расположение катионов и анионов в веществе. Ионы размещены не отдельными парами, а образуют общий повторяющийся порядок. Это понятие описывает строение твёрдого ионного вещества.
Атомы металлов часто имеют немного электронов на внешнем уровне, поэтому им обычно проще отдать эти электроны, чем присоединить много новых. После отдачи число электронов в атоме становится меньше числа протонов, и частица получает положительный заряд. Атомы неметаллов, напротив, часто имеют почти заполненный внешний уровень: им выгоднее принять недостающие электроны и получить отрицательный заряд.
При образовании хлорида натрия атом натрия отдаёт один электрон, а атом хлора принимает именно этот электрон. Запись Na → Na⁺ + e⁻ показывает образование катиона натрия, а запись Cl + e⁻ → Cl⁻ — появление аниона хлора. Передача электрона изменяет заряд частиц, но число протонов в ядрах остаётся прежним.
У Na⁺ заряд положительный, а у Cl⁻ — отрицательный, поэтому эти ионы притягиваются. Причина в электрическом взаимодействии зарядов: разноимённые заряды притягиваются, одноимённые — отталкиваются. Притяжение катионов и анионов и называют ионной связью; она не означает, что атомы совместно используют одну электронную пару.
В ионном веществе электрическое притяжение распространяется во всех направлениях. Поэтому нельзя считать, что связь существует только между одной парой Na⁺ и Cl⁻: каждый ион окружён несколькими ионами противоположного заряда. Такое расположение приводит к образованию общего упорядоченного кристалла, а не отдельных молекул из двух частиц.
Вещество в целом должно быть электрически нейтральным, то есть сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю. Поэтому число и заряд катионов соотносятся с числом и зарядом анионов: один Mg²⁺ уравновешивают два Cl⁻. Это соотношение показывают индексами в формуле, причём индекс 1 обычно не пишут.
Таблица показывает путь от исходных атомов к ионному веществу: сначала происходит передача электрона, затем появляются заряженные частицы и возникает притяжение между ними. Сопоставляйте столбцы натрия и хлора, чтобы проследить, откуда берутся оба иона. В последней строке проверьте, что формула соответствует нейтральному соотношению частиц.
| Этап | Частица натрия | Частица хлора | Результат |
|---|---|---|---|
| Исходные атомы | Атом Na | Атом Cl | Незаряженные атомы |
| Отдаёт электрон | Отдаёт один электрон | Получает электрон | Передача e⁻ от Na к Cl |
| Принимает электрон | Один электрон покидает атом | Принимает один электрон | Число электронов частиц изменяется |
| Образование ионов | Na⁺ | Cl⁻ | Образуются катион и анион |
| Притяжение ионов | Положительный заряд | Отрицательный заряд | Ионы притягиваются |
| Формула вещества | Один ион Na⁺ | Один ион Cl⁻ | NaCl |
Задача 1. Покажите, какие ионы образуются из атомов натрия и хлора при образовании NaCl. Нужно определить направление передачи электрона и записать заряды частиц. Помните: потеря отрицательно заряженного электрона делает частицу положительной, а его присоединение — отрицательной.
У натрия один электрон на внешнем уровне, который атом обычно отдаёт. Записываем: Na → Na⁺ + e⁻. Значит, натрий превращается в катион с зарядом +1.
Атому хлора для заполнения внешнего уровня не хватает одного электрона. Он принимает электрон натрия: Cl + e⁻ → Cl⁻. Получается анион с зарядом −1.
Заряды Na⁺ и Cl⁻ противоположны, поэтому ионы притягиваются. Их заряды уравновешиваются в соотношении один к одному. Ответ: образуются Na⁺ и Cl⁻.
Задача 2. Составьте формулу ионного соединения из Mg²⁺ и Cl⁻. Формула должна показывать наименьшее целое число частиц, при котором суммарный заряд равен нулю. Начните с одного катиона магния и подберите количество анионов хлора, которое компенсирует его заряд.
Один ион Mg²⁺ даёт суммарный заряд +2. Один Cl⁻ имеет заряд −1, поэтому одного хлорид-иона недостаточно, чтобы уравновесить заряд магния.
Два иона Cl⁻ дают общий заряд −2. Вместе с зарядом Mg²⁺ получается +2 + 2 × (−1) = 0, значит, соотношение Mg²⁺ : Cl⁻ равно 1 : 2.
В формуле ставим индекс 2 у хлора, а единицу у магния не записываем. Ответ: MgCl₂; проверка заряда: +2 − 2 = 0.
Задача 3. Алюминий образует ион Al³⁺, а кислород — ион O²⁻. Определите соотношение ионов и формулу соединения, а также объясните, почему частицы удерживаются вместе. Здесь заряды не компенсируются при соотношении один к одному, поэтому нужно найти общее число положительных и отрицательных зарядов.
Минимальное общее значение для зарядов 3 и 2 — 6. Два иона Al³⁺ дают заряд +6, а три иона O²⁻ — заряд −6.
Соотношение катионов алюминия и анионов кислорода равно 2 : 3. Индексы записываем в том же порядке, что и элементы в формуле: Al₂O₃.
Проверяем нейтральность: 2 × (+3) + 3 × (−2) = 0. Частицы удерживаются в веществе благодаря притяжению положительных и отрицательных ионов во всех направлениях. Ответ: соотношение 2 : 3, формула Al₂O₃.
Не называйте катион отрицательным ионом, а анион положительным. Путаница часто возникает из-за того, что оба слова обозначают ионы, но знак зависит от изменения числа электронов. Проверка простая: атом отдал отрицательные электроны — стал положительным; принял электроны — стал отрицательным.
Не объясняйте ионную связь тем, что атомы просто делятся электронами. Так можно перепутать её с другим способом связи: при ионной связи сначала образуются заряженные частицы, а затем противоположные заряды притягиваются. Спросите себя, передавались ли электроны от одного атома к другому и появились ли катион и анион.
Не записывайте формулу, не проверив суммарный заряд. Например, запись MgCl не подходит для ионов Mg²⁺ и Cl⁻: общий заряд был бы +1. Умножьте заряд каждого иона на его индекс и убедитесь, что сумма равна нулю.
Не представляйте ионную связь как притяжение только одной пары ионов. Это упрощённое представление не показывает строение всего кристалла и взаимодействие его частиц. Проверяйте себя: в твёрдом ионном веществе каждый ион окружён ионами противоположного заряда, а не изолирован от остальных.
Чтобы понять образование ионов, нужно знать строение атома, заряды ядра и электронов и расположение электронов на внешнем энергетическом уровне. Представления о металлах и неметаллах помогают объяснить, почему одни атомы обычно отдают электроны, а другие принимают. Навык определять заряды и соотношение ионов пригодится при составлении формул солей, а сами ионы встретятся при изучении электролитической диссоциации.
Чем катион отличается от аниона?
Катион — положительно заряженный ион, а анион — отрицательно заряженный. Катион образуется, когда атом отдаёт электроны, а анион — когда присоединяет их.
Почему атом металла обычно отдаёт электроны?
У многих металлов на внешнем энергетическом уровне мало электронов, поэтому отдать их проще, чем присоединить недостающие до устойчивого заполнения уровня. После отдачи электронов атом превращается в положительный ион.
Как определить, сколько электронов принимает атом неметалла?
Нужно посмотреть, сколько электронов находится на внешнем уровне, и сколько не хватает до его заполнения. Например, атому хлора с семью внешними электронами обычно достаточно принять один электрон.
Почему формула ионного вещества должна быть электрически нейтральной?
В целом вещество не имеет суммарного электрического заряда. Поэтому положительные заряды катионов должны уравновешивать отрицательные заряды анионов, а индексы показывают нужное соотношение ионов.
Почему ионную связь рассматривают как притяжение множества ионов в кристалле?
Электрическое притяжение действует во всех направлениях, а не только между одной выбранной парой ионов. Поэтому каждый ион окружён частицами противоположного заряда, и вместе они формируют кристаллическую решётку.
§ 10. Ионная химическая связь образуется за счет притяжения катионов и анионов
