В хімічних реакціях електрони від одного атома можуть повністю перейти до іншого. Такий перерозподіл зарядів веде до утворення позитивно і негативно заряджених іонів (катіонів та аніонів). Між ними виникає особливий тип взаємодії - іонна зв`язок. Розглянемо докладніше спосіб її утворення, будова і властивості речовин.
електронегативність
Атоми відрізняються по електрооотріцательності (ЕО) - здатності притягувати до себе електрони з валентних оболонок інших частинок. Для кількісного визначення використовується запропонована Л. Поллінг шкала відносної електронегативності (безрозмірна величина). Сильніше, ніж у інших елементів, виражена здатність притягувати до себе електрони в атомів фтору, його ЕО - 4. В шкалою Поллінга відразу ж за фтором слідують кисень, азот, хлор. Значення ЕО водню і інших типових неметалів рівні або близькі до 2. З металів більшість має електронегативні від 0,7 (Fr) до 1,7. Існує залежність ионности зв`язку від різниці ЕО хімічних елементів. Чим вона більше, тим вище ймовірність того, що виникне іонна зв`язок. Цей тип взаємодії частіше зустрічається при різниці ЕО = 1,7 і вище. Якщо значення менше, то сполуки відносяться до полярних нековалентним.
енергія іонізації
Для відриву слабо пов`язаних з ядром зовнішніх електронів необхідна енергія іонізації (ЕІ). Одиниця зміни цієї фізичної величини - 1 електрон-вольт. Існують закономірності зміни ЕІ в рядах і стовпцях періодичної системи, що залежать від зростання заряду ядра. У періодах зліва направо енергія іонізації збільшується і набуває найбільші значення у неметалів. У групах вона зменшується зверху вниз. Основна причина - збільшення радіусу атома і відстані від ядра до зовнішніх електронів, які легко відриваються. Виникає позитивно заряджена частинка - відповідний катіон. За величиною ЕІ можна судити про те, чи виникає іонна зв`язок. Властивості також залежать від енергії іонізації. наприклад, метали лужні і лужноземельні володіють невеликими значеннями ЕІ. У них яскраво виражені відновні (металеві) властивості. Інертні гази в хімічному відношенні малоактивні, що обумовлено їх високою енергією іонізації.
Спорідненість до електрона
У хімічних взаємодіях атоми можуть приєднувати електрони з утворенням негативної частки - аніону, процес супроводжується виділенням енергії. Відповідна фізична величина - це спорідненість до електрона. Одиниця виміру така ж, як енергії іонізації (1 електрон-вольт). Але її точні значення відомі не для всіх елементів. Галогени мають найбільший спорідненістю до електрону. На зовнішньому рівні атомів елементів - 7 електронів, не вистачає тільки одного до октету. Спорідненість до електрона у галогенів високе, вони володіють сильними окисними (неметаллическими) властивостями.
Взаємодії атомів при утворенні іонного зв`язку
Атоми, що мають незавершений зовнішній рівень, знаходяться в нестійкому енергетичному стані. Прагнення до досягнення стабільної електронної конфігурації - основна причина, яка призводить до утворення хімічних сполук. Процес зазвичай супроводжується виділенням енергії і може привести до молекул і кристалів, що відрізняється за будовою і властивостями. Сильні метали і неметали значно різняться між собою по ряду показників (ЕО, ЕІ і спорідненості до електрону). Для них більше підходить такий тип взаємодії, як іонна хімічний зв`язок, при якій переміщається об`єднує молекулярна орбіталь (загальна електронна пара). Вважається, що при утворенні іонів метали повністю передають електрони неметаллам. Міцність виникла зв`язку залежить від роботи, необхідної для руйнування молекул, складових 1 моль досліджуваного речовини. Ця фізична величина відома як енергія зв`язку. Для іонних з`єднань її значення становлять від декількох десятків до сотень кДж / моль.
Освіта іонів
Атом, який чи свої електрони при хімічних взаємодіях, перетворюється в катіон (+). Приймаюча частка - це аніон (-). Щоб з`ясувати, як будуть вести себе атоми, чи виникнуть іони, потрібно встановити різницю їх ЕО. Найпростіше провести такі розрахунки для з`єднання з двох елементів, наприклад, хлориду натрію.
- ЕО (Cl) = 3,16;
- ЕО (Na) = 0,99;
- 3,16 - 0,99 = 2,17.
- 2,17 більше, ніж 1,7, - виникає іонна зв`язок.
Натрій має всього 11 електронів, конфігурація зовнішнього шару - 3s1. Для його завершення атому легше віддати 1 електрон, ніж приєднати 7. Будова валентного шару хлору описує формула 3s23p5. Всього у атома 17 електронів, 7 - зовнішніх. Бракує одного для досягнення октету і стабільної структури. Хімічні властивості підтверджують припущення про те, що атом натрію віддає, а хлор приймає електрони. Виникають іони: позитивний (катіон натрію) і негативний (аніон хлору).
іонна зв`язок
Втрачаючи електрон, натрій набуває позитивний заряд і стійку оболонку атома інертного газу неону (1s22s22p6). Хлор в результаті взаємодії з натрієм отримує додатковий негативний заряд, а іон повторює будову атомної оболонки благородного газу аргону (1s22s22p63s23p6). Набутий електричний заряд називається зарядом іона. Наприклад, Na+, Ca2+, Cl-, F-. У складі іонів можуть перебувати атоми кількох елементів: NH4+, SO42. Усередині таких складних іонів частинки пов`язані з донорно-акцепторного або ковалентному механізму. Між різнойменно зарядженими частинками виникає електростатичне тяжіння. Його величина в разі іонного зв`язку пропорційна зарядів, а зі збільшенням відстані між атомами воно слабшає. Характерні ознаки іонної зв`язку:
- сильні метали реагують з активними неметаллическими елементами;
- електрони переходять від одного атома до іншого;
- виникли іони мають стабільної конфігурацією зовнішніх оболонок;
- між протилежно зарядженими частинками виникає електростатичне тяжіння.
кристалічні решітки іонних з`єднань
У хімічних реакціях метали 1-й, 2-й і 3-ї груп періодичної системи зазвичай втрачають електрони. Утворюються одно-, дво- і трехзарядние позитивні іони. Неметали 6-й і 7-й груп зазвичай приєднують електрони (виключення - реакції з фтором). Виникають одно- і двозарядні негативні іони. Витрати енергії на ці процеси, як правило, компенсуються, при створенні кристала речовини. Іонні сполуки зазвичай знаходяться в твердому стані, утворюють структури, що складаються з протилежно заряджених катіонів та аніонів. Ці частинки притягуються і утворюють гігантські кристалічні решітки, в яких позитивні іони оточені негативними частками (і навпаки). Сумарний заряд речовини дорівнює нулю, адже загальна кількість протонів врівноважується кількістю електронів всіх атомів.
Властивості речовин з іонним зв`язком
Для іонних кристалічних речовин характерні високі температури кипіння і плавлення. Зазвичай ці сполуки є термостійкими. Наступну особливість можна виявити при розчиненні таких речовин в полярному розчиннику (воді). Кристали легко руйнуються, а іони переходять в розчин, який має електричну провідність. Іонні з`єднання також руйнуються при розплавленні. З`являються вільні заряджені частинки, значить, розплав проводить електричний струм. Речовини з іонним зв`язком є електролітами - провідниками другого роду.
Відносяться до групи іонних з`єднань оксиди і нітрати лужних і лужноземельних металів. Практично всі вони знаходять широке застосування в науці, техніці, хімічному виробництві, металургії.
