§ 45. Ионная связь

Определения и обозначения

Ион — положительно или отрицательно заряженная частица, образующаяся при отдаче или присоединении электронов атомом. В отличие от нейтрального атома, ион имеет общий электрический заряд. Это понятие нужно, чтобы описывать частицы, из которых состоят многие соли.

Катион — положительно заряженный ион, возникающий, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Число протонов в его ядре остаётся прежним, а электронов становится меньше. Катионы обычно образуются из атомов металлов.

Анион — отрицательно заряженный ион, возникающий, когда атом присоединяет один или несколько электронов. Электронов в такой частице становится больше, чем протонов в ядре. Анионы часто образуются из атомов неметаллов.

Ионная связь — химическая связь между противоположно заряженными ионами, обусловленная их электростатическим притяжением. Она удерживает катионы и анионы в составе вещества. Поэтому ионная связь объясняет образование, например, хлорида натрия.

Как это устроено

Атомы металлов обычно отдают электроны внешнего слоя, потому что такой внешний слой сравнительно легко изменить, а оставшаяся оболочка становится устойчивой. После отдачи электронов металл превращается в катион. Атомы неметаллов, напротив, обычно принимают недостающие электроны до заполнения внешнего слоя и становятся анионами.

Отдача или присоединение электронов приводит к образованию более устойчивой электронной оболочки, похожей на оболочку ближайшего благородного газа. У натрия электронное распределение можно представить как 2, 8, 1: ему проще отдать один внешний электрон. У хлора распределение 2, 8, 7, поэтому ему выгодно принять один электрон и получить восемь электронов на внешнем слое.

После превращения атомов в ионы между ними начинают действовать силы электростатического взаимодействия. Положительный заряд катиона притягивается к отрицательному заряду аниона, поэтому частицы удерживаются рядом. Именно это притяжение, а не сам переход электрона, называют ионной связью.

При образовании NaCl атом натрия передаёт один электрон атому хлора: Na → Na⁺ + e⁻, Cl + e⁻ → Cl⁻. Получаются ионы Na⁺ и Cl⁻, которые притягиваются и образуют ионное соединение. В твёрдом веществе каждый ион окружён частицами противоположного заряда, поэтому формула NaCl показывает соотношение 1:1, а не отдельную молекулу.

Частицы и образование ионной связи

Сначала по таблице определите, какой атом отдаёт электроны, а какой принимает. Затем запишите заряды образовавшихся ионов и найдите их соотношение. В конце проверьте, что положительные и отрицательные заряды полностью компенсируют друг друга.

Разбор задач

Задача 1

Покажите образование ионов при взаимодействии атомов натрия и хлора и запишите формулу соединения. Нужно определить направление перехода электрона и соотношение частиц. Используем сведения о внешних электронах обоих атомов.

1. Натрий имеет один электрон на внешнем слое, поэтому отдаёт его: Na → Na⁺ + e⁻.
2. Хлор принимает этот электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻.
3. Заряды Na⁺ и Cl⁻ равны по модулю и противоположны, поэтому нужен один ион каждого вида.

Ответ: образуются Na⁺ и Cl⁻, соединение имеет формулу NaCl, а связь создаётся их притяжением.

Задача 2

Составьте формулу соединения алюминия с кислородом, если образуются ионы Al³⁺ и O²⁻. Индексы нельзя выбирать только по числам зарядов: нужно добиться общей электронейтральности. Ищем наименьшее общее число положительных и отрицательных единиц заряда.

1. Два иона Al³⁺ дают заряд +6.
2. Три иона O²⁻ дают заряд −6.
3. Заряды компенсируются, поэтому индексы ставим 2 у алюминия и 3 у кислорода.

Ответ: формула соединения — Al₂O₃; соотношение ионов Al³⁺:O²⁻ равно 2:3.

Задача 3

Объясните образование ионного соединения магния с хлором и запишите формулу вещества. Магний отдаёт два электрона, а один атом хлора может принять только один электрон. Значит, электронный обмен потребует двух атомов хлора.

1. Магний превращается в катион: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻.
2. Два атома хлора принимают по одному электрону и образуют два аниона Cl⁻.
3. Один Mg²⁺ и два Cl⁻ дают общий заряд 0, поэтому соотношение ионов равно 1:2.

Ответ: образуется соединение MgCl₂. Его частицы электронейтральны: +2 + 2 · (−1) = 0.

Типичные ошибки

Ошибка — называть ионной связью сам переход электронов. Переход действительно приводит к образованию ионов, но связью становится последующее притяжение Na⁺ и Cl⁻. Проверка проста: отдельно назовите образование зарядов и отдельно силу, удерживающую частицы.

Некоторые считают, что при образовании иона атом теряет или получает протоны. Такую ошибку допускают, смешивая заряд ядра с зарядом всей частицы. Проверьте себя: в химических превращениях меняется число электронов, а число протонов и заряд ядра сохраняются.

Нельзя считать формулу ионного соединения записью отдельной молекулы. В кристалле ионы взаимодействуют во всех направлениях, поэтому формула показывает их простейшее соотношение. Если представить NaCl как одну молекулу, будет непонятно, почему частицы образуют общую решётку.

Ошибка — составить формулу и не проверить общий заряд. Индексы должны давать равное число положительных и отрицательных единиц заряда. Для самопроверки перемножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите результаты.

Связь с другими темами

Для понимания ионной связи нужны знания о строении атома, заряде электрона и распределении электронов по внешнему слою. Эти сведения объясняют, почему одни атомы отдают электроны, а другие принимают их.

Ионы и электронейтральность пригодятся при составлении формул солей и разборе химических реакций. Позже эти понятия помогут понять электролитическую диссоциацию — распад вещества на ионы в растворе или расплаве.

Что запомнить

• Ион образуется при отдаче или присоединении электронов.
• Катион имеет положительный заряд, анион — отрицательный.
• Металлы обычно отдают электроны, неметаллы обычно их принимают.
• Ионная связь обусловлена притяжением противоположно заряженных ионов.
• Формула ионного соединения показывает соотношение ионов.
• Суммарный заряд частиц в формуле соединения равен нулю.