§ 35. Ионная связь

Определения и обозначения

Ион — частица, образующаяся из атома при отдаче или присоединении электронов. Число протонов в ядре при этом не меняется, но электронов становится меньше или больше, поэтому частица получает заряд. Электронная оболочка перестраивается: некоторые её внешние электроны уходят или добавляются. Понятие иона помогает описать частицы, из которых состоят многие вещества.

Катион — положительно заряженный ион, возникающий, когда атом отдаёт один или несколько электронов. Поскольку отрицательных электронов становится меньше, чем положительно заряженных протонов, общий заряд частицы положителен. Например, при потере одного электрона атом натрия превращается в Na⁺. Обозначение показывает и состав иона, и его заряд.

Анион — отрицательно заряженный ион, возникающий при присоединении атомом одного или нескольких электронов. Электронов становится больше, чем протонов, поэтому суммарный заряд отрицателен. Так, атом хлора, присоединив один электрон, образует Cl⁻. Различать анионы и катионы нужно, чтобы правильно записывать состав соединений.

Ионная связь — химическая связь между противоположно заряженными ионами, обусловленная их электростатическим притяжением. Электростатическим называют взаимодействие зарядов: разноимённые заряды притягиваются. Например, ионы Na⁺ и Cl⁻ удерживаются рядом именно таким притяжением. Это понятие объясняет, почему ионы объединяются в ионное вещество.

Как это устроено

Атомы стремятся перейти в более устойчивое состояние, связанное с устройством их внешнего электронного слоя. Для многих металлов проще отдать небольшое число внешних электронов, чем присоединить много новых: после отдачи внутренняя оболочка становится внешней. Поэтому металлы часто превращаются в катионы. Атомы неметаллов нередко имеют почти заполненный внешний слой, и им проще принять недостающие электроны, чтобы завершить его; так образуются анионы.

При образовании хлорида натрия атом натрия отдаёт один электрон, а атом хлора его принимает. У нейтрального атома Na после потери отрицательно заряженного электрона остаётся заряд +1, поэтому записывают Na⁺. Атом Cl после присоединения электрона получает заряд −1 и обозначается Cl⁻. Электрон переходит от одного атома к другому, но итогом этого перехода становятся две заряженные частицы.

Образовавшиеся Na⁺ и Cl⁻ имеют противоположные заряды, поэтому притягиваются. Это притяжение действует между ионами и удерживает их вместе, образуя ионную связь. Сам переход электрона создаёт катион и анион, а связью называют уже их взаимодействие. Так различаются два последовательных события: образование заряженных частиц и их объединение.

В твёрдом ионном веществе ионы обычно не собираются в отдельные пары или молекулы. Они располагаются в упорядоченной кристаллической решётке — повторяющемся расположении частиц в пространстве. Каждый ион притягивается к соседним ионам противоположного заряда, поэтому весь кристалл представляет собой единую структуру. Формула такого вещества показывает простейшее соотношение ионов в этой структуре.

В соединении суммарный заряд формульной единицы должен быть равен нулю: вещество в целом электрически нейтрально. Поэтому формулу составляют с учётом не только видов ионов, но и величин их зарядов. У Mg²⁺ заряд +2, а у Cl⁻ — −1; двум отрицательным зарядам нужны два хлорид-иона, чтобы уравновесить один заряд магния. Получается MgCl₂, где нижний индекс 2 показывает число ионов хлора на один ион магния.

Образование и состав ионных соединений

Начинайте с того, сколько электронов отдаёт атом металла и сколько принимает атом неметалла: так определяются заряды ионов. Затем проверьте, чтобы суммарный заряд ионов в формуле был нулевым. В строке хлорида магния видно, почему одному Mg²⁺ соответствуют два иона Cl⁻.

Разбор задач

1. Ионы при образовании NaCl

Условие. Укажите, какие ионы образуются из атомов натрия и хлора при образовании NaCl. Нужно определить, какой атом отдаёт электрон, какой принимает его, и записать знаки и величины зарядов. Сравним число электронов и заряд каждого атома до и после перехода.

1. Натрий отдаёт один электрон: потеря отрицательного заряда оставляет ион с зарядом +1.
2. Хлор принимает этот электрон: избыток одного отрицательного заряда даёт заряд −1.
3. Записываем частицы как Na⁺ и Cl⁻; их заряды взаимно компенсируются.

Ответ: образуются катион Na⁺ и анион Cl⁻. Передача электрона создаёт эти ионы, а их притяжение образует ионную связь в NaCl. Проверка проста: +1 − 1 = 0.

2. Формула соединения Al³⁺ и O²⁻

Условие. Составьте формулу соединения, образованного ионами Al³⁺ и O²⁻. Формула должна отражать наименьшее целое соотношение частиц, при котором положительный и отрицательный заряды уравновешены. Нельзя просто записать по одному иону каждого вида: их заряды различны.

1. Найдём наименьшее общее число, которое делится и на 3, и на 2: это 6.
2. Чтобы получить суммарный заряд +6, берём два иона Al³⁺; чтобы получить −6, нужны три иона O²⁻.
3. Записываем индексы по числу ионов: Al₂O₃. Индекс 1 у алюминия не пишут.

Ответ: формула соединения — Al₂O₃. Проверка: 2 × (+3) + 3 × (−2) = +6 − 6 = 0. Соотношение 2:3 уже нельзя сократить, значит оно наименьшее.

3. Образование хлорида кальция

Условие. Для образования хлорида кальция запишите передачу электронов, определите ионы и объясните формулу CaCl₂. Кальций отдаёт два электрона, а каждый атом хлора может принять один. Поэтому нужно связать число электронов с числом атомов, принимающих их.

1. Атом кальция отдаёт два электрона и становится катионом Ca²⁺.
2. Каждый из двух атомов хлора принимает по одному электрону; образуются два аниона Cl⁻.
3. На один Ca²⁺ приходятся два Cl⁻, поэтому записываем CaCl₂ и проверяем заряды: +2 + 2 × (−1) = 0.

Ответ: передача электронов приводит к образованию Ca²⁺ и 2Cl⁻, а формула хлорида кальция — CaCl₂. Два атома хлора необходимы, чтобы принять оба электрона кальция и уравновесить заряд его катиона. Формула показывает соотношение ионов, а не отдельную молекулу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ионная связь возникает в момент передачи электрона. Передача превращает атомы в ионы, а связь появляется благодаря последующему притяжению противоположных зарядов. Путают эти события, потому что они происходят при образовании одного вещества. Проверка: отдельно назовите результат передачи и причину, по которой ионы удерживаются вместе.

Ошибка: менять местами знаки катиона и аниона. При отдаче электронов частица теряет отрицательный заряд и становится положительной, а при присоединении электронов заряд становится отрицательным. Ошибка возникает, если помнить только слова, не связывая их с зарядом электрона. Проверяйте знак вопросом: электронов стало меньше или больше относительно протонов?

Ошибка: составлять формулу, не учитывая заряды ионов, например ставить по одному иону каждого вида. Так можно получить соединение с ненулевым зарядом, хотя формульная единица вещества должна быть нейтральной. Проверяйте формулу арифметически: умножьте заряд каждого иона на его индекс и сложите результаты. Если сумма не равна нулю, соотношение выбрано неверно.

Ошибка: представлять ионное вещество как набор отдельных пар ионов или молекул. Такое представление кажется удобным, чтобы объяснить формулу, но обычно ионы образуют единую кристаллическую решётку и взаимодействуют с соседями. Формула указывает соотношение частиц, а не границы отдельной молекулы. Проверяйте себя: речь идёт о составе всего кристалла или об отдельной молекуле?

Связь с другими темами

Чтобы понять образование ионов, нужно знать строение атома, устройство электронных оболочек и различие между металлами и неметаллами. Ионная связь связывает понятие химической связи с кристаллическими решётками; устройство решётки помогает объяснять свойства веществ. Умение определять заряды ионов пригодится при составлении формул солей и записи уравнений реакций. Поэтому важно не только запоминать обозначения, но и проверять общий заряд.

Что запомнить

• Ион — заряженная частица, образовавшаяся из атома.
• При отдаче электронов атом становится положительным катионом.
• При присоединении электронов атом становится отрицательным анионом.
• Ионная связь — притяжение противоположно заряженных ионов.
• Ионные соединения обычно имеют кристаллическую решётку.
• Формула ионного соединения отражает соотношение ионов с нулевым суммарным зарядом.