Ionic bonding
Электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами.
Ионная связь — это тип химической связи, основанный на электростатическом притяжении между противоположно заряженными ионами или между двумя атомами с резко различающейся электроотрицательностью. Она является основным взаимодействием в ионных соединениях и одним из главных типов связи наряду с ковалентной и металлической связью. Ионная связь возникает в результате переноса электронов от металла к неметаллу для достижения обоими атомами заполненной валентной оболочки, что приводит к образованию положительно заряженных катионов и отрицательно заряженных анионов.
Атомы с почти полной или почти пустой валентной оболочкой обладают высокой реакционной способностью. Сильно электроотрицательные атомы, такие как галогены, часто имеют лишь одно или два свободных электронных состояния в валентной оболочке и легко присоединяют электроны, становясь анионами. Слабо электроотрицательные атомы, например щелочные металлы, имеют мало валентных электронов, которые легко теряются в пользу сильно электроотрицательных атомов, образуя катионы. Этот перенос электронов известен как электровалентность. В простейшем случае катионом является атом металла, а анионом — атом неметалла, но ионы могут быть и многоатомными, например ацетат-анион или катион аммония.
Ионная связь может возникать в результате окислительно-восстановительной реакции. Например, при соединении натрия и фтора натрий теряет свой внешний электрон для достижения стабильной электронной конфигурации, и этот электрон экзотермически переходит к атому фтора. Образовавшиеся противоположно заряженные ионы затем притягиваются друг к другу, образуя твердый фторид натрия. В такой решетке дискретные молекулярные единицы обычно не различимы, поэтому соединения не являются молекулярными. Однако для сохранения электронейтральности соблюдаются строгие соотношения между анионами и катионами, следуя правилам стехиометрии.
Чисто ионной связи, при которой один атом полностью передает электрон другому, не существует; все ионные соединения имеют некоторую степень ковалентной связи или обобществления электронов. Термин «ионная связь» используется, когда ионный характер преобладает над ковалентным, то есть при большой разнице электроотрицательностей между катионом и анионом. Связи с частично ионным и частично ковалентным характером называются полярными ковалентными связями.
Ионные связи считаются одними из самых прочных среди всех химических связей, обладая высокой энергией связи. Большинство ионных соединений образуют кристаллическую решетку. Они проводят электричество в расплавленном состоянии или в растворе, но обычно не проводят в твердом виде.
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.
Контекст
Ионная связь может возникать в результате окислительно-восстановительной реакции, когда атомы элемента, обычно металла, с низкой энергией ионизации отдают часть своих электронов для достижения стабильной электронной конфигурации, образуя катионы. Атом другого элемента, обычно неметалла, с большим сродством к электрону принимает один или несколько электронов для достижения стабильной электронной конфигурации, становясь анионом. Электростатическое притяжение между анионами и катионами приводит к образованию твердого тела с кристаллографической решеткой, в которой ионы расположены в чередующемся порядке. В такой решетке обычно невозможно различить отдельные молекулярные единицы, поэтому образовавшиеся соединения не являются молекулярными. Однако сами ионы могут быть сложными и образовывать молекулярные ионы, такие как ацетат-анион или катион аммония.
Путеводитель
Ионная связь является основополагающей для структуры и свойств многих соединений, включая обычную поваренную соль (хлорид натрия). Ионные соединения обычно имеют высокие температуры плавления, зависящие от заряда ионов; более высокие заряды приводят к более сильным когезионным силам и более высоким температурам плавления. Образование ионных соединений часто является экзотермическим, хотя некоторые, такие как оксид ртути, являются эндотермическими. Энергия кристаллической решетки, которая может быть определена с помощью цикла Борна-Габера или предсказана уравнением Борна-Ланде, количественно определяет изменение энтальпии при образовании твердого тела из газообразных ионов. Ионная связь считается одной из самых прочных среди всех типов химических связей, что способствует стабильности ионных соединений. Однако чисто ионной связи не существует; все ионные соединения имеют некоторую степень ковалентной связи или обобществления электронов, и термин «ионная связь» используется, когда ионный характер преобладает над ковалентным.
Основной механизм: перенос электронов и электростатическое притяжение
Ионная связь по своей сути представляет собой электростатическое притяжение между ионами, несущими противоположные заряды, возникающее, когда два атома обладают резко различающейся электроотрицательностью. В наиболее простом сценарии атом металла отдает один или несколько валентных электронов атому неметалла. Металл становится положительно заряженным катионом, а неметалл — отрицательно заряженным анионом, и возникающее электростатическое притяжение прочно связывает их. Этот процесс переноса электронов называется электровалентностью, что отличает его от механизма обобществления электронов при ковалентности. Движущей силой является стремление обоих участвующих атомов к заполненной валентной оболочке. Хотя классическая картина включает один атом металла и один атом неметалла, участвующие ионы могут быть гораздо сложнее. Многоатомные частицы, такие как катион аммония или сульфат-анион, участвуют в ионной связи так же легко, как и простые одноатомные ионы. Основное требование остается неизменным: перенос электронов, обеспечивающий обоим партнерам стабильную электронную конфигурацию, с последующим взаимным электростатическим притяжением, которое и определяет связь.
Континуум, а не категория: ионный и ковалентный характер
Совершенно чистой ионной связи, при которой электрон полностью и необратимо переносится от одного атома к другому, в природе не существует. Каждое ионное соединение сохраняет некоторую степень обобществления электронов, то есть ковалентная составляющая всегда присутствует в большей или меньшей степени. Поэтому термин «ионная связь» применяется прагматически: он используется, когда ионный характер явно преобладает над ковалентным. Это обычно происходит, когда разница электроотрицательностей между катионом и анионом велика, что приводит к образованию сильно полярной связи, в которой электроны смещены гораздо ближе к одному из партнеров. На другом конце спектра, где электроны распределены более равномерно, мы имеем дело с ковалентной связью. Между этими двумя крайностями находятся полярные ковалентные связи, которые одновременно обладают частично ионным и частично ковалентным характером. На практике различие между ионной и ковалентной связью — это не бинарный переключатель, а постепенный континуум, определяемый тем, насколько неравномерно связующие электроны распределены между двумя взаимодействующими атомами.
Кристаллическая архитектура и макроскопическое поведение
В твердом состоянии ионные соединения образуют кристаллические решетки — жесткие повторяющиеся трехмерные структуры, в которых катионы и анионы занимают чередующиеся положения, часто в вершинах элементарной ячейки. Эти связи относятся к числу самых прочных среди всех химических взаимодействий, что отражается в высоких энергиях связи, определяемых как средняя энергия, необходимая для разделения ионов в газовой фазе. Эта прочность напрямую приводит к высоким температурам плавления, которые возрастают с увеличением заряда ионов: чем больше заряды, тем сильнее когезионные силы, удерживающие решетку, и тем больше тепловой энергии требуется для плавления твердого тела. Парадоксально, но твердые ионные соединения не проводят электричество, поскольку их ионы зафиксированы в определенных положениях. Однако при плавлении или растворении в полярном растворителе, таком как вода, решетка разрушается в процессе, называемом сольватацией, высвобождая свободно движущиеся ионы, которые переносят электрический ток. Растворимость в воде обратно пропорциональна прочности связи: чем прочнее ионы связаны в решетке, тем менее они склонны растворяться.
Энергетический баланс и стехиометрические ограничения
Образование ионной связи регулируется тонким энергетическим балансом. Отрыв электронов от атома металла для создания катиона является эндотермическим этапом, повышающим общую энергию системы. Дополнительные энергетические затраты могут возникнуть при разрыве существующих связей или присоединении нескольких электронов для образования аниона. Однако, когда вновь образованные ионы соединяются, выделение энергии кристаллической решетки с избытком компенсирует эти затраты, делая общую реакцию в большинстве случаев экзотермической. Ионная связь образуется только в том случае, если чистое изменение энергии благоприятно; заметным исключением является образование оксида ртути, которое является эндотермическим. Заряд ионов является доминирующим фактором прочности связи: по закону Кулона соль с однозарядными ионами удерживается примерно в четыре раза слабее, чем с двухзарядными ионами. Несмотря на отсутствие дискретных молекул, ионные соединения подчиняются строгим стехиометрическим соотношениям для сохранения электронейтральности, как видно на примере соотношения один к одному натрия и хлора в поваренной соли. Многие такие соли также образуются в результате нейтрализации кислоты и основания.
More in Химия и материалы
Заметили ошибку?
Исправления от читателей сразу попадают в нашу очередь на проверку. Предложить правку · Как собираются источники для этого сайта