Ионная связь

Натрий: Na
Хлор: Cl
Поваренная соль (хлорид натрия): NaCl
Катионы и анионы

Химия - "волшебная" наука. А где вы еще получите безопасное вещество, соединив два опасных? Речь идет об обыкновенной поваренной соли - NaCl. Рассмотрим подробнее каждый элемент, опираясь на ранее полученные знания об устройстве атома.

Натрий - Na, щелочной металл (группа IA).
Электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s¹

Как видим, натрий имеет один валентный электрон, который он "согласен" отдать, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.

Хлор - Cl, галоген (группа VIIA).
Электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

Как видим, хлор имеет 7 валентных электронов и ему "не хватает" одного электрона, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.

Теперь догадываетесь, почему так "дружны" атомы хлора и натрия?

Ранее говорилось, что полностью "укомплектованные" энергетические уровни имеют инертные газы (группа VIIIA) - у них полностью заполнены внешние s и p-орбитали. Отсюда они так плохо вступают в химические реакции с другими элементами (им просто не надо ни с кем "дружить", поскольку ни отдавать, ни принимать электроны они "не хотят").

Главный закон химической реакции
-
заполнение валентного энергетического уровня

Когда валентный энергетический уровень заполнен - элемент становится стабильным или насыщенным.

Инертным газам "повезло", а что же делать остальным элементам периодической таблицы? Конечно же, "искать" себе пару, подобно дверному замку и ключу - определенному замку соответствует свой ключ. Так и химические элементы, пытаясь заполнить свой внешний энергетический уровень, вступают с другими элементами в реакции, создавая устойчивые соединения. Т.к. заполняются внешние s (2 электрона) и р (6 электронов) орбитали, то данный процесс получил название "правило октета" (октет = 8)

Любой атом может получить или отдать не более трех электронов

Натрий: Na

На внешнем энергетическом уровне атома натрия находится один электрон. Для перехода в стабильное состояние, натрий должен: либо отдать этот электрон, либо принять семь новых. Исходя из вышесказанного, натрий будет отдавать электрон. При этом у него "исчезает" 3s-орбиталь, а количество протонов (11) будет на один превосходить количество электронов (10). Поэтому, нейтральный атом натрия превратится в положительно заряженный ион - катион.

Электронная конфигурация катиона натрия: Na⁺ 1s²2s²2p⁶

Особо внимательные читатели справедливо скажут, что такая же электронная конфигурация и у неона (Ne). Так что же, натрий превратился в неон? Вовсе нет - не забывайте о протонах! Их по-прежнему; у натрия - 11; у неона - 10. Говорят, что катион натрия является изоэлектронным неону (поскольку их электронные конфигурации одинаковы).

Подведем итог:

атом натрия и его катион отличаются одним электроном;
катион натрия имеет меньший размер, поскольку он теряет внешний энергетический уровень.

Хлор: Cl

У хлора ситуация прямо противоположная - на внешнем энергетическом уровне у него находится семь валентных электронов и ему надо принять один электрон, чтобы стать стабильным. При этом произойдут следующие процессы:

атом хлора примет один электрон и станет отрицательно заряженным анионом (17 протонов и 18 электронов);
электронная конфигурация хлора: Cl^- 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶
анион хлора является изоэлектронным аргону (Ar);
поскольку внешний энергетический уровень хлора "достроился", то радиус катиона хлора будет немного больше, чем у "чистого" атома хлора.

Поваренная соль (хлорид натрия): NaCl

Исходя из вышесказанного, видно, что электрон, который отдает натрий, становится электроном, который получает хлор.

В кристаллической решетке хлорида натрия каждый катион натрия окружен шестью анионами хлора. И наоборот, каждый анион хлора окружен шестью катионами натрия.

В результате перемещения электрона образуются ионы: катион натрия (Na⁺) и анион хлора (Cl^-). Поскольку противоположные заряды притягиваются, то образуется устойчивое соединение NaCl (хлорид натрия) - поваренная соль.

В результате взаимного притяжения противоположно заряженных ионов, образуется ионная связь - устойчивое химическое соединение.

Соединения с ионными связями называют солями. В твердом состоянии все ионные соединения являются кристаллическими веществами.

Ионная связь
-
химическая связь между катионами и анионами (заряженными частицами, в которые превращаются атомы после отдачи или присоединения электронов).

Следует понимать, что понятие ионной связи довольно относительно, строго говоря к "чистым" ионным соединениям можно отнести только те вещества, у которых разность в электроотрицателности атомов, которые образуют ионную связь, равна или более 3. По этой причине в природе существует всего с десяток чисто ионных соединений - это фториды щелочных и щелочно-земельных металлов (например, LiF; относительная электроотрицательность Li=1; F=4).

Чтобы не "обижать" ионные соединения, химики договорились считать, что химическая связь является ионной, если разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу вещества равна или более 2. (см. понятие электроотрицательности).

Катионы и анионы

Другие соли образуются по аналогичному принципу, что и хлорид натрия. Металл отдает электроны, а неметалл их получает. Из периодической таблицы видно, что:

элементы группы IA (щелочные металлы) отдают один электрон и образуют катион с зарядом 1⁺;
элементы группы IIA (щелочноземельные металлы) отдают два электрона и образуют катион с зарядом 2⁺;
элементы группы IIIA отдают три электрона и образуют катион с зарядом 3⁺;
элементы группы VIIA (галогены) принимают один электрон и образуют анион с зарядом 1^-;
элементы группы VIA принимают два электрона и образуют анион с зарядом 2^-;
элементы группы VA принимают три электрона и образуют анион с зарядом 3^-;

Распространенные одноатомные катионы

Группа	Элемент	Ион	Обозначение
IA	Литий Натрий Калий	Катион лития Катион натрия Катион калия	Li⁺ Na⁺ K⁺
IIA	Бериллий Магний Кальций Стронций Барий	Катион бериллия Катион магния Катион кальция Катион стронция Катион бария	Be²⁺ Mg²⁺ Ca²⁺ Sr²⁺ Ba²⁺
IB	Серебро	Катион серебра	Ag⁺
IIB	Цинк	Катион цинка	Zn²⁺
IIIB	Алюминий	Катион алюминия	Al³⁺

Распространенные одноатомные анионы

Группа	Элемент	Ион	Обозначение
VIIA	Фтор Хлор Бром Йод	Анион фтора Анион хлора Анион брома Анион йода	F^- Cl^- Br^- I^-
VIA	Кислород Сера	Анион кислорода Анион серы	O^2- S^2-
VA	Азот Фосфор	Аниона азота Анион фосфора	N^3- P^3-

Не все так просто с переходными металлами (группа В), которые могут отдавать разное количество электронов, образуя при этом по два (и более) катиона, имеющих разные заряды. Например:

Cr²⁺ - ион двухвалентного хрома; хром (II)
Mn³⁺ - ион трехвалентного марганца; марганец (III)
Hg₂²⁺ - ион двухатомной двухвалентной ртути; ртуть (I)
Pb⁴⁺ - ион четырехвалентного свинца; свинец (IV)

Электрический заряд, который получает атом, называется степенью окисления

Многие ионы переходных металлов могут иметь разную степень окисления.

Ионы не всегда бывают одноатомными, они могут состоять из группы атомов - многоатомные ионы. Например, ион двухатомной двухвалентной ртути Hg₂²⁺: два атома ртути связаны в один ион и имеют общий заряд 2⁺ (каждый катион имеет заряд 1⁺).

Примеры многоатомных ионов:

SO₄^2- - сульфат
SO₃^2- - сульфит
NO₃^- - нитрат
NO₂^- - нитрит
NH₄⁺ - аммоний
PO₄³⁺ - фосфат

В начало страницы

Химия - это просто

Ионная связь

Натрий: Na

Хлор: Cl

Поваренная соль (хлорид натрия): NaCl

Катионы и анионы