Ионная связь

Ионная связь — сильная химическая связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионов. Возникает между атомами с большой разностью (>1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей, при которой общая электронная пара переходит преимущественно к атому с большей электроотрицательностью. Это притяжение ионов как разноимённо заряженных тел. Примером может служить соединение CsF, в котором «степень ионности» составляет 97 %. Ионная связь — крайний случай поляризации ковалентной полярной связи. Образуется между типичными металлом и неметаллом. При этом электроны у металла полностью переходят к неметаллу, образуются ионы.

Атомы натрия и фтора подвергающиеся окислительно-восстановительной реакции с образованием фторида натрия. Натрий теряет свой внешний электрон, приобретая стабильную электронную конфигурацию, и этот электрон переходит в атом фтора. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу с образованием стабильного соединения.

Химическая связьПравить

Если химическая связь образуется между атомами, которые имеют очень большую разность электроотрицательностей (ЭО > 1,7 по Полингу), то общая электронная пара полностью переходит к атому с большей ЭО. Результатом этого является образование соединения противоположно заряженных ионов:

$\mathsf{A}\cdot <!--\; \cdot \; -->+\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{B}\to <!--\; \to \; -->{\mathsf{A}}^{+}[:{\mathsf{B}}^{-<!--\; -\; -->}]$${\mathsf A}\cdot +\cdot {\mathsf B}\to {\mathsf A}^{+}[:{\mathsf B}^{-}]$ 

Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение, которое называется ионной связью. Вернее, такой взгляд удобен. На деле ионная связь между атомами в чистом виде не реализуется нигде или почти нигде, обычно на деле связь носит частично ионный, а частично ковалентный характер. В то же время связь сложных молекулярных ионов часто может считаться чисто ионной. Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости. Именно поэтому кристаллы, образованные за счёт ионной связи, тяготеют к различным плотнейшим упаковкам соответствующих ионов.

Характеристикой подобных соединений служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т. д.). Это происходит из-за заряженности частей молекулы. При этом диполи растворителя притягиваются к заряженным концам молекулы, и, в результате Броуновского движения, «растаскивают» молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы, окружённые диполями растворителя.

При растворении подобных соединений, как правило, выделяется энергия, так как суммарная энергия образованных связей растворитель-ион больше энергии связи анион-катион. Исключения составляют многие соли азотной кислоты (нитраты), которые при растворении поглощают тепло (растворы охлаждаются). Последний факт объясняется на основе законов, которые рассматриваются в физической химии. Взаимодействие ионов

Если атом теряет один или несколько электронов, то он превращается в положительный ион — катион (в переводе с греческого — "идущий вниз). Так образуются катионы водорода Н+, лития Li+, бария Ва2+. Приобретая электроны, атомы превращаются в отрицательные ионы — анионы (от греческого «анион» — идущий вверх). Примерами анионов являются фторид ион F−, сульфид-ион S2−. 50

Пример образования ионной связиПравить

Рассмотрим способ образования на примере «хлорида натрия» NaCl. Электронную конфигурацию атомов натрия и хлора можно представить: $\mathsf{N}{\mathsf{a}}^{\mathsf{11}}\mathsf{1}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{p}}^{\mathsf{6}}\mathsf{3}{\mathsf{s}}^{\mathsf{1}}$${\mathsf {Na^{{11}}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}}}$  и $\mathsf{C}{\mathsf{l}}^{\mathsf{17}}\mathsf{1}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{p}}^{\mathsf{6}}\mathsf{3}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{3}{\mathsf{p}}^{\mathsf{5}}$${\mathsf {Cl^{{17}}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}}}$ . Это атомы с незавершенными энергетическими уровнями. Очевидно, для их завершения атому натрия легче отдать один электрон, чем присоединить семь, а атому хлора легче присоединить один электрон, чем отдать семь. При химическом взаимодействии атом натрия полностью отдает один электрон, а атом хлора принимает его.

Схематично это можно записать так:

$\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{-<!--\; -\; -->}\mathsf{e}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{N}{\mathsf{a}}^{\mathsf{+}}$${\mathsf {Na-e\rightarrow Na^{+}}}$  — ион натрия, устойчивая восьмиэлектронная оболочка ($\mathsf{N}{\mathsf{a}}^{\mathsf{+}}\mathsf{1}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{s}}^{\mathsf{2}}\mathsf{2}{\mathsf{p}}^{\mathsf{6}}$${\mathsf {Na^{{+}}1s^{2}2s^{2}2p^{6}}}$ ) за счет второго энергетического уровня.

$\mathsf{C}\mathsf{l}\mathsf{+}\mathsf{e}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{C}{\mathsf{l}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}$${\mathsf {Cl+e\rightarrow Cl^{-}}}$  — ион хлора, устойчивая восьмиэлектронная оболочка.

Между ионами $\mathsf{N}{\mathsf{a}}^{\mathsf{+}}$${\mathsf {Na^{+}}}$  и $\mathsf{C}{\mathsf{l}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}$${\mathsf {Cl^{-}}}$  возникают силы электростатического притяжения, в результате чего образуется соединение.

Модель идеального кристаллаПравить

Для кубического кристалла «хлорида натрия» (NaCl) каждый атом Na окружён 6-ю атомами Cl, поэтому соответствующая потенциальная энергия $-<!--\; -\; -->6k{e}^2/r,$$-6ke^{2}/r\,,$  где r — расстояние между атомами, e — заряд электрона, k — постоянная Кулона. Расположенные за ионами хлора положительно заряженные ионы натрия (в количестве 12) отталкиваются от центрального иона и так далее. В общем притягивающий потенциал можно записать в виде

$U_{attr}=-<!--\; -\; -->\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}k\frac{e^2}{r},$$U_{attr}=-\alpha k{\frac {e^{2}}{r}}\,,$ 

где α — постоянная Маделунга. Для хлорида натрия α=1.7476. Из-за принципа запрета Паули возникает дополнительное отталкивание между ионами и полный потенциал можно записать в виде

$U_t=-<!--\; -\; -->\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}k\frac{e^2}{r}+\frac{B}{r^m},$$U_{t}=-\alpha k{\frac {e^{2}}{r}}+{\frac {B}{r^{m}}}\,,$ 

где B и m≈10 — постоянные зависящие от вида ионов. Такой потенциал имеет минимум, абсолютное значение которого в нём называется ионной энергией когезии — то есть энергия необходимая для разделения ионов на бесконечности. Для натрия хлора это 7,84 эВ на ион или 760 кДж/моль. Для атомной энергии когезии нужно учесть нейтрализацию ионов.

ЛитератураПравить

• Serway, R.; Moses, C.; Moyer, C. Modern Physics (англ.). — 3rd ed.. — Thomson Brooks Cole, 2005. — 682 p. — ISBN 0534493394.