Ionic bonding
反対の電荷を持つイオン間の静電引力。
イオン結合は、反対の電荷を持つイオン間、または電気陰性度が大きく異なる2つの原子間の静電引力を伴う化学結合の一種です。これはイオン化合物における主要な相互作用であり、共有結合や金属結合と並ぶ主要な結合タイプの一つです。イオン結合は、金属から非金属への電子移動により、両方の原子が完全な価電子殻を得て、正に帯電した陽イオンと負に帯電した陰イオンを形成することで生じます。
価電子殻がほぼ満たされている、またはほぼ空の原子は反応性が高いです。ハロゲンのような強い電気陰性度を持つ原子は、価電子殻に空の電子状態が1つまたは2つしかないことが多く、容易に電子を得て陰イオンになります。アルカリ金属のような弱い電気陰性度を持つ原子は、価電子が少なく、強い電気陰性度を持つ原子に容易に失われ、陽イオンを形成します。この電子の移動は電気原子価として知られています。最も単純な場合、陽イオンは金属原子、陰イオンは非金属原子ですが、イオンは酢酸陰イオンやアンモニウム陽イオンのような多原子イオンであることもあります。
イオン結合は酸化還元反応から生じることがあります。例えば、ナトリウムとフッ素が結合するとき、ナトリウムは安定した電子配置を得るために外側の電子を失い、この電子はフッ素原子に発熱的に取り込まれます。結果として生じた反対の電荷を持つイオンは互いに引き合い、固体のフッ化ナトリウムを形成します。このような格子では、個別の分子単位は通常区別できないため、化合物は分子性ではありません。しかし、電荷の中性を保つために、陰イオンと陽イオンの間には厳密な比率が守られ、化学量論の規則に従います。
一方の原子が完全に電子を他方に移動させるような、純粋なイオン結合は存在しません。すべてのイオン化合物には、ある程度の共有結合または電子共有が存在します。「イオン結合」という用語は、イオン性が共有性よりも大きい場合、つまり陽イオンと陰イオンの間に大きな電気陰性度差がある場合に使用されます。部分的にイオン性と部分的に共有性を持つ結合は、極性共有結合と呼ばれます。
イオン結合は、高い結合エネルギーを持つ、すべての化学結合の中で最も強いものの一つと考えられています。ほとんどのイオン化合物は結晶格子構造を形成します。これらは溶融時または溶液中では電気を通しますが、固体状態では通常通りません。これらの化合物は
Quick Facts
- Type
- Chemical bonding
- Key components
- Cations and anions
- Typical charge transfer
- Electrons from metal to nonmetal
- Common example
- Sodium chloride (NaCl)
- Conductivity
- Conducts electricity when molten or in solution
Facts from the source article.
背景と経緯
イオン結合は、イオン化エネルギーが低い元素（通常は金属）の原子が、安定した電子配置を得るために電子の一部を提供し、陽イオンを形成する酸化還元反応から生じることがあります。より大きな電子親和力を持つ別の元素（通常は非金属）の原子は、1つまたは複数の電子を受け入れて安定した電子配置に達し、陰イオンになります。陰イオンと陽イオンの間の静電引力は、イオンが交互に積み重なった結晶格子を持つ固体の形成につながります。このような格子では、通常、個別の分子単位を区別することは不可能であるため、形成される化合物は分子性ではありません。しかし、イオン自体は複雑で、酢酸陰イオンやアンモニウム陽イオンのような分子イオンを形成することがあります。
読者ガイド
イオン結合は、一般的な食塩（塩化ナトリウム）を含む多くの化合物の構造と特性の基礎です。イオン化合物は一般に高い融点を持ち、これはイオンの電荷に依存します。電荷が高いほど凝集力が強くなり、融点が高くなります。イオン化合物の形成は多くの場合発熱的ですが、酸化水銀(II)のように吸熱的なものもあります。格子エネルギーは、ボルン・ハーバーサイクルを用いて決定されるか、ボルン・ランデの式によって予測され、気体イオンから固体を形成する際のエンタルピー変化を定量化します。イオン結合は、すべてのタイプの化学結合の中で最も強いものの一つと考えられており、イオン化合物の安定性に貢献しています。しかし、純粋なイオン結合は存在せず、すべてのイオン化合物にはある程度の共有結合または電子共有があり、「イオン結合」という用語は、イオン性が共有性よりも大きい場合に使用されます。
中核メカニズム：電子移動と静電引力
イオン結合は、根本的には、反対の電荷を帯びたイオン間の静電引力であり、2つの原子が著しく異なる電気陰性度を持つときに生じます。最も単純なシナリオでは、金属原子が1つまたは複数の価電子を非金属原子に譲渡します。金属は正に帯電した陽イオンになり、非金属は負に帯電した陰イオンになり、結果として生じる静電引力がそれらを結合させます。この電子移動プロセスは電気原子価と呼ばれ、共有結合の電子共有メカニズムとは区別されます。その原動力は、関与する両方の原子が完全な価電子殻を得ることです。古典的な図式は単一の金属原子と単一の非金属原子を含みますが、関与するイオンははるかに複雑であり得ます。アンモニウム陽イオンや硫酸陰イオンなどの多原子種は、単純な単原子イオンと同様に容易にイオン結合に関与します。本質的な要件は変わりません。両方のパートナーを安定した電子配置にする電子移動と、それに続く結合を定義する相互の静電引力です。
カテゴリーではなく連続体：イオン性と共有性
一方の原子から他方の原子へ電子が完全かつ不可逆的に移動する、完全に純粋なイオン結合は自然界には存在しません。すべてのイオン化合物はある程度の電子共有を保持しており、つまり、多かれ少なかれ共有結合成分が常に存在します。したがって、イオン結合というラベルは実用的に適用されます。イオン性が共有性を明らかに上回る場合に割り当てられます。これは通常、陽イオンと陰イオンの間の電気陰性度ギャップが大きく、電子が一方のパートナーに他方よりもはるかに引き寄せられる非常に極性の高い結合を生み出す場合に発生します。スペクトルの反対側、電子がより均等に共有される場合、共有結合に遭遇します。これら2つの極端の間には、部分的にイオン性と部分的に共有性を同時に持つ極性共有結合があります。実際的な観点では、イオン結合と共有結合の区別は二値的なスイッチではなく、結合電子が関与する2つの原子間でどの程度不均等に分布しているかによって支配される緩やかな連続体です。
結晶構造と巨視的挙動
固体状態では、イオン化合物は結晶格子、つまり陽イオンと陰イオンが交互の位置を占める（多くの場合単位格子の隅に）剛直な繰り返し三次元配列に集合します。これらの結合は、すべての化学的相互作用の中で最も強いものの一つに数えられ、気体状態でイオンを分離するのに必要な平均エネルギーとして定義される高い結合エネルギーに反映されます。この強度は直接的に高い融点に変換され、イオン電荷の大きさに比例します。電荷が大きいほど、格子を保持する凝集力が強くなり、固体を溶かすためにより多くの熱エネルギーが必要になります。逆説的に、固体のイオン化合物はイオンが固定位置に固定されているため電気を通しません。しかし、一旦溶融されるか、水のような極性溶媒に溶解すると、格子は溶媒和と呼ばれるプロセスを通じて分解され、電気伝導を担う自由に動くイオンを放出します。水への溶解度は凝集力と反比例の関係にあります。イオンが格子内でより強く結合しているほど、溶解しにくくなります。
エネルギー収支と化学量論的制約
イオン結合の形成は微妙なエネルギー収支によって支配されています。金属原子から電子を剥ぎ取って陽イオンを生成することは、系全体のエネルギーを上昇させる吸熱ステップです。既存の結合を切断したり、陰イオンを形成するために複数の電子を追加したりすることから、追加のエネルギーコストが生じる可能性があります。しかし、新しく形成されたイオンが結合するとき、格子エネルギーの放出がそれを補って余りあるため、ほとんどの場合、全体的な反応は発熱的になります。イオン結合は、正味のエネルギー変化が有利な場合にのみ進行します。注目すべき例外は酸化水銀(II)の形成で、これは吸熱的です。イオンの電荷は結合強度の支配的な要因です。クーロンの法則により、1価のイオンを持つ塩は、2価のイオンを持つ塩よりも約4倍弱く結合します。個別の分子は存在しないものの、イオン化合物は電荷中性を維持するために厳密な化学量論比に従います。これは食卓塩におけるナトリウムと塩化物の1対1の対合に見られます。このような塩の多くは、酸と塩基の中和からも生じます。