3. Химическая связь между атомами металлов и неметаллов

Определения и обозначения

Химическая связь — взаимодействие, удерживающее атомы или ионы вместе. Между металлом и неметаллом она возникает после образования ионов: положительные ионы металла и отрицательные ионы неметалла притягиваются. Это понятие объясняет, почему частицы объединяются в устойчивое вещество.

Ионная связь — связь между противоположно заряженными ионами, возникающая из-за их электростатического притяжения. Электростатическим называют взаимодействие зарядов: разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются. По этому признаку ионную связь отличают от других видов связи.

Катион — положительно заряженный ион, который образуется, когда атом отдаёт электроны. Например, атом натрия превращается в Na⁺ после отдачи одного электрона. Знак «плюс» показывает, что положительного заряда стало больше, чем отрицательного.

Анион — отрицательно заряженный ион, возникающий при принятии атомом электронов. Например, хлор образует Cl⁻, присоединив один электрон. Названия и заряды катионов и анионов нужны, чтобы правильно выводить формулы соединений.

Как это устроено

Атомы металлов обычно имеют на внешнем электронном слое небольшое число электронов. Отдать их легче, чем принять недостающие электроны до заполнения внешнего слоя, поэтому металл образует положительный ион. У неметаллов внешний слой почти заполнен, и им выгоднее принять несколько электронов, чтобы получить более устойчивое строение.

При отдаче электронов число электронов в атоме металла уменьшается, и он превращается в катион. Это можно показать так: Na → Na⁺ + e⁻, Mg → Mg²⁺ + 2e⁻. При принятии электронов неметалл становится анионом: Cl + e⁻ → Cl⁻, O + 2e⁻ → O²⁻; число принятых электронов определяет заряд иона.

После перехода электронов возникают частицы с противоположными зарядами. Их электростатическое притяжение и есть причина ионной связи, а не сама передача электронов. Такая связь не направлена только между одной парой ионов: каждый ион притягивается сразу к нескольким соседним и отталкивается от одноимённо заряженных частиц.

Число отданных электронов должно совпадать с числом принятых. Поэтому один Mg²⁺ соединяется с одним O²⁻, а один Ca²⁺ — с двумя Cl⁻, потому что два иона Cl⁻ принимают всего два электрона. Для Al³⁺ и O²⁻ нужны два атома алюминия и три атома кислорода: 2 · 3 = 3 · 2, поэтому формула имеет вид Al₂O₃.

В ионном соединении частицы располагаются в упорядоченной кристаллической решётке. В ней каждый катион окружён анионами, а каждый анион — катионами, поэтому силы притяжения действуют во многих направлениях. Такое строение объясняет твёрдость и хрупкость ионных кристаллов, высокие температуры плавления, а также проведение электрического тока расплавами и растворами.

Образование ионных соединений

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите заряды катиона и аниона. Затем подберите такое соотношение частиц, чтобы число отданных и принятых электронов совпало, и запишите индексы в формуле.

Индексы показывают количество ионов каждого вида, а не величину их зарядов. После составления формулы проверьте её: сумма положительных зарядов должна быть равна сумме отрицательных.

Разбор задач

Задача 1. Покажите, какие ионы образуются из атомов натрия и хлора, и составьте формулу соединения.

Натрий — металл, а хлор — неметалл. Нужно определить переход электронов, записать заряды и подобрать нейтральное соотношение частиц.

1. Атом натрия отдаёт один электрон: Na → Na⁺ + e⁻.
2. Атом хлора принимает один электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻.
3. Заряды Na⁺ и Cl⁻ равны по модулю и противоположны, поэтому нужен один катион на один анион.
4. Записываем формулу без индексов: NaCl.

Ответ: образуются ионы Na⁺ и Cl⁻; соединение имеет формулу NaCl.

Задача 2. Составьте формулы соединений магния с кислородом и кальция с хлором, указав заряды образующихся ионов.

Сначала определим заряды элементов по числу отдаваемых и принимаемых электронов. Затем для каждой пары найдём наименьшее соотношение, при котором суммарный заряд равен нулю.

1. Магний отдаёт два электрона: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻, а кислород принимает два: O + 2e⁻ → O²⁻.
2. Один Mg²⁺ и один O²⁻ взаимно компенсируют заряды, поэтому формула — MgO.
3. Кальций отдаёт два электрона и образует Ca²⁺. Каждый атом хлора принимает один электрон и образует Cl⁻.
4. Для компенсации заряда Ca²⁺ нужны два Cl⁻, поэтому формула — CaCl₂.

Ответ: Mg²⁺ и O²⁻ образуют MgO; Ca²⁺ и Cl⁻ образуют CaCl₂.

Задача 3. Объясните образование и запишите формулу оксида алюминия, если атом алюминия отдаёт три электрона, а атом кислорода принимает два.

Заряды ионов различаются, поэтому одного атома алюминия и одного атома кислорода недостаточно: три положительных заряда не компенсируют два отрицательных. Нужно уравнять общее число отданных и принятых электронов.

1. Алюминий образует Al³⁺, отдавая три электрона: Al → Al³⁺ + 3e⁻.
2. Кислород образует O²⁻, принимая два электрона: O + 2e⁻ → O²⁻.
3. Наименьшее общее число электронов для 3 и 2 равно 6: два атома Al отдают 6 электронов, а три атома O принимают 6.
4. Соотношение ионов Al³⁺ : O²⁻ равно 2 : 3, поэтому формула — Al₂O₃.

Ответ: образуются Al³⁺ и O²⁻; ионное соединение имеет формулу Al₂O₃.

Типичные ошибки

Передачу электронов принимают за ионную связь. Электроны действительно переходят от металла к неметаллу, но это только создаёт заряженные частицы. Проверка простая: отдельно назовите образовавшиеся ионы и затем укажите их притяжение.

Формулу записывают по числу атомов, не учитывая заряды. Так можно получить соединение с ненулевым общим зарядом. Перемножьте заряд каждого иона на его индекс и проверьте, что положительная и отрицательная суммы равны.

Путают знаки катиона и аниона. Металл после отдачи электронов становится положительным, а неметалл после принятия — отрицательным. Представьте: потеря отрицательных частиц увеличивает относительный плюс, а их приобретение создаёт минус.

Считают, что связь соединяет только одну пару ионов. В кристалле частицы не располагаются отдельными молекулами-парами, а образуют общую решётку. Проверьте себя вопросом: с каким числом соседних ионов взаимодействует частица в твёрдом веществе?

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и числе электронов на внешнем уровне. Именно они объясняют, почему одни атомы отдают электроны, а другие принимают.

Также важно уметь находить элементы в периодической системе и различать металлы и неметаллы. Положение элемента помогает предположить заряд образующегося иона.

Эти знания пригодятся при изучении формул и свойств солей, оксидов и других соединений. Они также связаны с темой кристаллических решёток и объяснением физических свойств веществ.

Что запомнить

• Атом металла при отдаче электронов становится положительным ионом — катионом.
• Атом неметалла при принятии электронов становится отрицательным ионом — анионом.
• Ионная связь основана на притяжении противоположно заряженных ионов.
• В формуле ионного соединения суммарный заряд должен быть равен нулю.
• Ионы в твёрдом ионном веществе образуют кристаллическую решётку.