2.3. Ионная связь

Определения и обозначения

Ионная связь — химическая связь, обусловленная электростатическим притяжением противоположно заряженных ионов. Она возникает после перехода электронов от одного атома к другому. Это определение помогает отличать ионную связь от ковалентной, при которой атомы используют общие электронные пары.

Катион — положительно заряженный ион, образующийся при отдаче электронов атомом. Число протонов в ядре при этом не меняется, а электронов становится меньше. Понятие катиона нужно, чтобы понимать, какие частицы образуют положительную часть ионного соединения.

Анион — отрицательно заряженный ион, возникающий при присоединении электронов атомом. Электронов в нём становится больше, чем протонов в ядре. Анионы образуют отрицательную часть соединения и притягиваются к катионам.

Ионная кристаллическая решётка — упорядоченное расположение катионов и анионов, удерживаемых электростатическим притяжением. В узлах такой решётки находятся не отдельные молекулы, а ионы. Это понятие связывает микроскопическое строение вещества с его макроскопическими свойствами.

Как это устроено

Атомы разных элементов по-разному притягивают внешние электроны. Если один атом удерживает электрон слабее, а другой — сильнее, электронная плотность может сместиться или электрон может перейти к более электроотрицательному атому. После полной передачи электронов частицы получают противоположные заряды, и их взаимное притяжение становится основой ионной связи.

Рассмотрим натрий и хлор. У атома натрия на внешнем уровне один электрон, поэтому ему выгодно отдать его: Na → Na⁺ + e⁻. У атома хлора семи внешних электронов, поэтому он принимает недостающий электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻; возникшие Na⁺ и Cl⁻ притягиваются, потому что их заряды противоположны.

Ионная связь не направлена строго между одной парой атомов. Положительный ион в кристалле окружён несколькими отрицательными ионами, а каждый отрицательный — несколькими положительными. Такое многократное взаимодействие создаёт общую устойчивую решётку, а не отдельные «связанные пары» Na⁺ и Cl⁻.

Формула NaCl не означает существование отдельной молекулы, в которой навсегда соединены только один Na⁺ и один Cl⁻. Она показывает простейшее целочисленное соотношение ионов в кристалле: на один катион приходится один анион. Соотношение выбирают так, чтобы сумма всех зарядов формульной единицы была равна нулю.

В ионной решётке частицы удерживаются сильными взаимодействиями, поэтому для разрушения порядка требуется много энергии и вещество имеет высокую температуру плавления. При сдвиге слоёв одинаково заряженные ионы могут оказаться рядом, вызвать отталкивание и расколоть кристалл, поэтому ионные вещества хрупки. В твёрдом состоянии ионы неподвижны, а в расплавах и водных растворах перемещаются, вследствие чего последние проводят электрический ток.

Ионная связь и ионные соединения: строение и свойства

Таблицу удобно использовать для быстрого сравнения строения и свойств ионных веществ. Сначала определите частицы и тип решётки, затем объясните формулу и физические свойства через движение и взаимодействие ионов. Особенно полезно сопоставлять твёрдое вещество с его расплавом или раствором.

Разбор задач

1. Ионы магния и кислорода

Условие: укажите, какие ионы образуются из атомов магния и кислорода, и объясните, за счёт чего они притягиваются.

1. У атома магния два внешних электрона, поэтому при их отдаче образуется катион Mg²⁺: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻.
2. Атом кислорода принимает два электрона и превращается в анион O²⁻: O + 2e⁻ → O²⁻.
3. Ионы Mg²⁺ и O²⁻ имеют противоположные заряды. Их притяжение является электростатической основой ионной связи, а соединение имеет состав MgO.

Ответ: образуются Mg²⁺ и O²⁻; они притягиваются электростатическими силами противоположных зарядов.

2. Формула соединения алюминия с кислородом

Условие: составьте формулу соединения алюминия с кислородом, если ионы имеют заряды Al³⁺ и O²⁻.

1. Нужно уравнять положительный и отрицательный суммарные заряды. Наименьшее общее число зарядов для 3 и 2 равно 6.
2. Для получения +6 берём два иона Al³⁺, а для получения −6 — три иона O²⁻.
3. Записываем индексы по числу ионов: Al₂O₃. Проверка: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0.

Ответ: формула соединения — Al₂O₃. Индексы показывают соотношение ионов, а не заряд отдельных частиц.

3. Проводимость хлорида натрия

Условие: сравните твёрдый хлорид натрия и его расплав и объясните, когда вещество проводит ток.

1. В твёрдом NaCl ионы Na⁺ и Cl⁻ находятся в узлах решётки и могут лишь колебаться около закреплённых положений.
2. Из-за отсутствия направленного движения заряженных частиц твёрдый кристалл электрический ток обычно не проводит.
3. При плавлении решётка разрушается, ионы становятся подвижными, перемещаются к электродам и переносят заряд.

Ответ: расплав NaCl проводит электрический ток, а твёрдый кристалл — нет, потому что только в расплаве ионы свободно перемещаются.

Типичные ошибки

Ошибка — представлять ионную связь как притяжение только одной пары ионов. Так считают, потому что формулу NaCl мысленно превращают в отдельную молекулу. Проверьте себя: в кристалле каждый ион окружён несколькими ионами противоположного знака.

Ошибка — считать формулу ионного вещества формулой отдельной молекулы. Такое представление не учитывает общую кристаллическую решётку. Чтобы проверить запись, назовите её формульной единицей и убедитесь, что она показывает простейшее соотношение ионов.

Ошибка — путать заряд иона с числом атомов или индексом в формуле. Заряд определяется отдачей или присоединением электронов, а индексы подбираются для электрической нейтральности. Выполните проверку: умножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите результаты.

Ошибка — утверждать, что твёрдое ионное вещество проводит ток так же, как расплав. Причина ошибки — забытое различие между наличием зарядов и их подвижностью. Спросите себя, могут ли ионы перемещаться по всему веществу: в кристалле они закреплены, а в расплаве свободны.

Связь с другими темами

Для понимания ионной связи нужны знания о строении атома и электронных оболочках, а также о том, как образуются положительные и отрицательные ионы. От числа отданных или принятых электронов зависят заряды частиц.

При составлении формул пригодятся умения определять степени окисления и заряды простых ионов. Индексы расставляют по условию электрической нейтральности, а не просто переносят из зарядов.

Тема подготавливает к изучению кристаллических решёток, свойств солей, электролитической диссоциации и электролиза. Во всех этих разделах важно учитывать строение вещества и подвижность ионов.

Что запомнить

• Ионная связь возникает благодаря электростатическому притяжению катионов и анионов.
• Катион имеет положительный заряд, анион — отрицательный.
• Ионная связь обычно не направлена и действует между множеством ионов в кристалле.
• Формула ионного соединения показывает соотношение ионов, при котором суммарный заряд равен нулю.
• Твёрдые ионные вещества обычно не проводят электрический ток.
• Расплавы и водные растворы ионных веществ могут проводить ток благодаря подвижным ионам.
• Ионные кристаллы обычно твёрдые и хрупкие.