§ 33. Ионная связь. Строение ионных кристалл

Определения и обозначения

Ионная связь — электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. Оно удерживает частицы вместе благодаря их зарядам, а не общей электронной паре, как при ковалентной связи. Это определение помогает отличать ионный тип связи от других типов химической связи. При этом притяжение может действовать между множеством частиц одновременно.

Ион — частица, образовавшаяся, когда атом отдал или присоединил электроны. Отдавая электроны, атом становится положительным ионом — катионом; присоединяя их, он превращается в отрицательный ион — анион. Так различают знаки зарядов, необходимые для объяснения взаимного притяжения и расчёта состава соединения. Например, Na⁺ — катион, а Cl⁻ — анион.

Ионная кристаллическая решётка — упорядоченное расположение ионов в кристалле. В такой структуре частицы занимают определённые положения и взаимодействуют с соседями, а не объединяются в отдельные молекулы. Понятие решётки позволяет описывать строение твёрдого вещества целиком. Его формула обычно показывает соотношение ионов разных видов.

Координационное число — число ближайших ионов противоположного знака, окружающих выбранный ион в кристалле. Оно характеризует локальное окружение частицы, а не общее количество ионов в формуле. Сравнение координационных чисел помогает описать упаковку частиц в разных решётках. Например, для структур NaCl и CsCl эти числа неодинаковы.

Как это устроено

При образовании ионного вещества атомы металла обычно отдают электроны, а атомы неметалла их присоединяют. Так появляются катионы и анионы: первые имеют положительный заряд, вторые — отрицательный. Часто полученные ионы приобретают устойчивую электронную конфигурацию, похожую на конфигурацию ближайшего благородного газа. Передача электронов сама по себе ещё не объясняет строение кристалла: после неё важным становится притяжение возникших частиц.

Противоположные заряды притягиваются, поэтому катион и анион стремятся сблизиться. Но электрическое взаимодействие не направлено только вдоль одной линии и не ограничено единственной парой: каждый ион притягивается к окружающим ионам противоположного знака. Одновременно одноимённо заряженные частицы отталкиваются, что не позволяет им всем сжаться в одну точку. В результате устанавливается устойчивое трёхмерное расположение, где притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга.

Устройство решётки зависит от зарядов и относительных размеров ионов. Заряды задают силу электростатических взаимодействий и помогают определить, сколько частиц разных видов должно входить в нейтральный кристалл. Размеры влияют на то, сколько ионов противоположного знака может удобно разместиться вокруг выбранного иона. Поэтому при изменении размеров частиц меняются их взаимное расположение и координационное число.

В структуре NaCl каждый ион окружён шестью ближайшими ионами противоположного знака, поэтому координационное число равно 6. Ионы разных знаков чередуются в пространстве, а окружение катиона и аниона устроено симметрично. В структуре CsCl у каждого иона восемь ближайших соседей противоположного знака, то есть координационное число равно 8. Такое различие связано с геометрией расположения ионов и их относительными размерами.

Кристалл в целом должен быть электронейтральным: сумма положительных зарядов равна сумме отрицательных. Поэтому формульная единица показывает такое наименьшее соотношение ионов, при котором общий заряд равен нулю; например, Ca²⁺ сочетается с двумя F⁻. Сильное притяжение частиц делает ионные вещества твёрдыми и обычно обусловливает высокую температуру плавления. Однако при смещении слоёв могут сблизиться одноимённые ионы, их отталкивание раскалывает кристалл, поэтому он хрупок.

Ионная связь и строение ионных кристаллов

Сначала определите, какие частицы входят в состав вещества и чем они удерживаются, затем рассмотрите их расположение. Строки о координационном числе и электронейтральности отвечают на разные вопросы: первая описывает ближайшее окружение, вторая — общий состав. Последняя строка связывает наблюдаемые свойства с взаимодействием ионов в решётке.

Разбор задач

1. Определите заряды ионов и составьте формулу соединения алюминия с кислородом.

1. Алюминий как металл отдаёт три электрона и образует катион Al³⁺. Кислород присоединяет два электрона и образует анион O²⁻.
2. Подбираем количества ионов так, чтобы положительный и отрицательный заряды компенсировались. Наименьшее общее значение для зарядов 3 и 2 — 6: два иона Al³⁺ дают +6, три O²⁻ дают −6.
3. Записываем найденное соотношение в формуле: сначала символ металла, затем неметалла. Индексы 2 и 3 указывают число ионов каждого вида в формульной единице.

Ответ: ионы Al³⁺ и O²⁻, формула соединения — Al₂O₃. Проверка: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0, значит, формула удовлетворяет условию электронейтральности.

2. Для CaF₂ укажите заряды ионов и объясните соотношение частиц.

1. Кальций отдаёт два электрона, поэтому его ион имеет заряд +2: Ca²⁺. Фтор присоединяет по одному электрону и образует анион F⁻.
2. Чтобы компенсировать заряд одного катиона кальция, нужны два аниона фтора: +2 + 2 · (−1) = 0. Одного F⁻ недостаточно, поскольку тогда суммарный заряд оставался бы положительным.
3. Запись CaF₂ отражает минимальное целочисленное соотношение ионов — один катион кальция на два аниона фтора. Это соотношение относится к составу кристалла, а не к отдельной молекуле.

Ответ: Ca²⁺ и F⁻; на один ион кальция приходятся два иона фтора, поэтому формула — CaF₂. Сумма зарядов равна нулю, как и должно быть для электрически нейтрального вещества.

3. Сравните ближайшее окружение ионов в структурах NaCl и CsCl.

1. Координационное число находят, считая ближайших соседей противоположного знака вокруг одного выбранного иона. Не нужно считать все ионы в формульной единице или во всём кристалле.
2. В структуре NaCl у каждого иона шесть ближайших ионов противоположного знака. Поэтому для этой структуры координационное число равно 6.
3. В структуре CsCl ближайшее окружение каждого иона включает восемь ионов противоположного знака. Следовательно, её координационное число равно 8.

Ответ: NaCl — 6, CsCl — 8. В обоих случаях окружение катиона и аниона по числу ближайших соседей симметрично, но способы пространственной упаковки различаются.

Типичные ошибки

Считать ионную связь притяжением только одной пары ионов — значит переносить на кристалл слишком простую модель. Так думают, потому что формулы часто записывают как сочетание катиона и аниона. В действительности каждый ион взаимодействует со многими соседями; проверьте себя вопросом, описывает ли модель всю пространственную решётку.

Представлять твёрдое ионное вещество как набор отдельных молекул неверно: его формула обычно обозначает соотношение ионов в кристалле. Ошибка возникает из-за привычки считать любую химическую формулу записью молекулы. Проверьте себя: если частицы образуют общую непрерывную решётку, формула не задаёт изолированную группу атомов.

Путать координационное число с количеством ионов в формульной единице нельзя, поскольку это разные характеристики. Первая описывает ближайшее окружение конкретного иона, а вторая — соотношение частиц для нейтрального состава. Путаница появляется, когда оба числа ищут по записи формулы. Чтобы проверить ответ, сначала укажите выбранный ион, а затем считайте только его ближайших соседей противоположного знака.

Составлять формулу, не проверяя суммарный заряд, — ошибка даже при верно определённых зарядах ионов. Обычно она возникает, если индексы подбирают по внешнему виду записи, не выполняя проверку. Умножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите результаты: итог должен быть равен нулю. Например, CaF₂ проходит проверку, поскольку +2 + 2 · (−1) = 0.

Связь с другими темами

Для изучения ионной связи нужны знания о строении атома, числе электронов и образовании заряженных частиц. Понимание катионов, анионов и электронейтральности помогает правильно объяснять передачу электронов и составлять формулы соединений. Далее эта тема пригодится при сравнении ионной, ковалентной и металлической связи, а также при объяснении физических свойств веществ. Представление о кристаллических решётках позволяет сопоставлять внутреннее строение твёрдых тел с их наблюдаемыми характеристиками.

Что запомнить

• Ионная связь обусловлена электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов.
• Ионная связь не ограничена одной парой частиц: ионы образуют общую кристаллическую структуру.
• Формула ионного соединения отражает соотношение ионов, обеспечивающее электронейтральность.
• Координационное число показывает количество ближайших ионов противоположного знака.
• Кристаллы NaCl и CsCl различаются строением и координационными числами: 6 и 8 соответственно.
• Ионные кристаллы обычно твёрдые и хрупкие; их ионы в твёрдом состоянии не могут свободно перемещаться.