§ 20. Йони. Йонний зв’язок, його утворення
Вивчення параграфа допоможе вам:
- характеризувати йони як заряджені частинки речовини;
- розрізняти катіони й аніони;
- пояснювати утворення йонного зв'язку та його особливості;
- визначати вид хімічного зв'язку в речовині.
Багато неорганічних речовин утворені з металічних і неметалічних елементів, наприклад, оксиди, основи, солі.
Хімічний зв'язок у цих сполуках відрізняється від ковалентного.
ПОНЯТТЯ ПРО ЙОННИЙ ЗВ'ЯЗОК. Утворення хімічного зв'язку між атомами металічного і неметалічного елементів теж підпорядковане правилу октету. Однак завершення зовнішніх енергетичних рівнів досягається не за рахунок утворення спільних електронних пар, а шляхом віддачі електронів атомами металічних елементів і приєднання їх атомами неметалічних хімічних елементів.
Пригадайте й наведіть приклади відповідних сполук та їхні формули.
Мал. 31. Кристали кухонної солі
Розглянемо це на прикладі натрій хлориду NaCl (мал. 31). Зважаючи на розміщення Натрію і Хлору в ряді електронегативності, робимо висновок про те, що за здатністю притягувати електрони Натрій значно поступається Хлору. До того ж зовнішньому енергетичному рівню електронної оболонки його атома далеко до завершеної 8-електронної конфігурації — не вистачає 7 електронів.
11Na — 1s22s22p63s1
Тому для атома Натрію енергетично вигідніше віддати один електрон, ніж приєднати сім. Як ви вже знаєте, металічний елемент Натрій досягає завершення зовнішнього енергетичного рівня, віддаючи єдиний електрон третього енергетичного рівня.
Неметалічний елемент Хлор, навпаки, має близький до завершення зовнішній енергетичний рівень.
17Cl — 1s22s22p63s23p5
Маючи 7 електронів на зовнішньому енергетичному рівні, він приєднує електрон, відданий атомом Натрію. У такий спосіб його зовнішній енергетичний рівень стає завершеним.
Віддаючи один електрон, атом Натрію перетворюється на позитивно заряджену частинку — йон, що має назву катіон.
11Na0 - 1e- = 11Na+ (катіон Натрію)
Йони (іони) — це заряджені частинки, на які перетворюються нейтральні атоми, віддаючи або приєднуючи електрони.
Звідки з'явився заряд у катіона Натрію і чому його не було в атома Натрію? Після того як атом віддав 1e-, порушилася рівновага позитивного заряду ядра і негативного заряду електронної оболонки. Позитивно заряджених протонів у ядрі, як і раніше, залишилося 11, а негативно заряджених електронів в електронній оболонці атома — на один менше, тобто 10. Відтак утворений катіон має заряд +1.
Назва «катіон» походить від назви негативно зарядженого електрода (катода), до якого в електричному полі рухаються позитивно заряджені йони.
Порівняння будови нейтрального атома Натрію й позитивно зарядженого йона (катіона) цього елемента вказує на спільну будову ядра, але різну будову електронної оболонки. Так, атом Натрію має три енергетичні рівні, у катіона їх два.
За рахунок приєднання одного електрона нейтральний атом Хлору перетворюється на негативно заряджений іон — аніон.
Протилежно заряджені йони Натрію та Хлору притягуються один до одного, й утворюється натрій хлорид.
Йонний (іонний) хімічний зв'язок — це зв'язок між протилежно зарядженими йонами (катіонами й аніонами).
Запишемо рівняння взаємодії простих речовин натрію і хлору та позначимо перехід електронів у цій реакції.
Позначивши валентні електрони зовнішнього енергетичного рівня за допомогою крапок, зобразимо перехід електронів під час утворення йонного хімічного зв'язку між Натрієм та Хлором (схема 14).
Схема 14. Утворення йонного хімічного зв'язку
Між позитивно зарядженим катіоном Натрію та негативно зарядженим аніоном Хлору утворюється міцний іонний зв'язок. Речовина натрій хлорид за звичайних умов перебуває у твердому агрегатному стані.
За визначенням іонного зв'язку передбачається повний перехід електронів від менш електронегативного атома до атома з більшою електронегативністю. Проте абсолютно чистого йонного зв'язку не існує, тому що окремі атоми, з яких утворюється сполука, мають хоч і незначну, але не нульову електронегативність. Із цієї причини при домінуванні йонного зв'язку має місце невеликий відсоток утворення спільних електронних пар.
Як зазначалося на початку параграфа, йонний зв'язок властивий солям, оксидам металічних елементів, основам. Це речовини немолекулярної будови.
Хімія — це життя: сторінка природодослідника
Щоб зрозуміти, наскільки різними за властивостями є атоми й утворені з них іони, скористайтесь текстом попередніх параграфів і повторіть властивості простих речовин натрію і хлору. Ці дві прості речовини взаємодіють між собою, утворюючи складну речовину натрій хлорид (кухонну сіль).
Додаючи кухонну сіль до супу чи борщу, ви не спостерігаєте бурхливого виділення водню, як у реакції натрію з водою. І не відчуваєте задушливого запаху отруйного хлору. Отже, лише один приєднаний чи відданий електрон забезпечує утворення не тільки хімічного зв'язку, а й нових структурних частинок речовин із притаманними лише їм властивостями.
Стисло про основне
• Йони — заряджені частинки, на які перетворюються атоми, віддаючи або приєднуючи електрони.
• Позитивно заряджений іон називають катіон, негативно заряджений — аніон.
• Йонний зв'язок — це зв'язок за рахунок притягування протилежно заряджених іонів.
• Утворення йонного хімічного зв'язку супроводжується переходом валентних електронів від атомів металічних елементів до атомів неметалічних.
Знаємо, розуміємо
1. Сформулюйте визначення понять: катіон, аніон, іонний хімічний зв'язок.
2. Порівняйте та розкажіть, що спільного й чим відрізняються:
- а) атом і катіон одного хімічного елемента;
- б) атом і аніон одного хімічного елемента? Наведіть приклади.
3. У чому полягає відмінність між ковалентним і йонним хімічними зв'язками?
Застосовуємо
61. Класифікуйте формули речовин за видом хімічних зв'язків на групи з ковалентним неполярним, ковалентним полярним, іонним зв'язками:
PF3, CuO, OF2, Br2, MgS, HF, NH3.
62. Спрогнозуйте вид хімічного зв'язку між атомами, що мають таку будову зовнішніх енергетичних рівнів: ...3s2 і ...2s22p5. Напишіть формулу утвореної речовини.
63. Атом хімічного елемента має на 2 електрони більше, ніж катіон Натрію. Назвіть елемент.
64. Атом хімічного елемента має на 3 електрони менше, ніж аніон Хлору. Назвіть елемент.
Ступінь окиснення. Визначення ступеня окиснення атома елемента за хімічною формулою сполуки. Складання формули сполуки за відомими ступенями окиснення атомів елементів
Ступінь окиснення елемента – це умовний заряд атома в речовині, обчислений із припущенням, що вона складається з іонів. Для визначення ступеня окиснення елементів необхідно запам’ятати певні правила:
1. Ступінь окиснення може бути позитивним, негативним або дорівнювати нулю. Він позначається арабською цифрою зі знаком «плюс» або «мінус» над символом елемента.
2. При визначенні ступенів окиснення виходять з електронегативності речовини: сума ступенів окиснення всіх атомів у сполуці дорівнює нулю.
3. Якщо сполука утворена атомами одного елемента (в простій речовині), то ступінь окиснення цих атомів дорівнює нулю.
4. Атомам деяких хімічних елементів звичайно приписують сталі ступені окиснення. Наприклад, ступінь окиснення Флуору в сполуках завжди дорівнює –1; Літію, Натрію, Калію, Рубідію і Цезію +1; Магнію, Кальцію, Стронцію, Барію і Цинку +2, Алюмінію +3.
5. Ступінь окиснення Гідрогену у більшості сполук +1, і лише в сполуках з деякими металами він дорівнює –1 (KH, BaH2).
6. Ступінь окиснення Оксигену у більшості сполук –2, і лише в деяких сполуках йому приписують ступінь окиснення –1 (H2O2, Na2O2 або +2 (OF2).
7. Атоми багатьох хімічних елементів виявляють змінні ступені окиснення.
8. Ступінь окислення атома металу в сполуках позитивний і чисельно дорівнює його валентності.
9. Максимальний позитивний ступінь окиснення елемента, як правило, дорівнює номеру групи в періодичній системі, в якій знаходиться елемент.
10. Мінімальний ступінь окиснення для металів дорівнює нулю. Для неметалів у більшості випадків нижчий негативний ступінь окиснення дорівнює різниці між номером групи та цифрою вісім.
11. Ступінь окиснення атома, що утворює простий іон (складається з одного атома), дорівнює заряду цього іона.
Користуючись наведеними правилами, визначимо ступені окиснення хімічних елементів у сполуці H2SO4. Це складна речовина, яка складається з трьох хімічних елементів – Гідрогену Н, Сульфуру S та Оксигену О. Зазначимо ступені окиснення тих елементів, для яких вони є сталими. У нашому випадку це Гідроген Н та Оксиген О:
Визначимо невідомий ступінь окиснення Сульфуру. Нехай ступінь окиснення Сульфуру в цій сполуці дорівнює х: 
Складемо рівняння, помноживши для кожного елемента його індекс на ступінь окиснення та добуту суму прирівняємо до нуля: 2 · (+1) + x + 4 · (-2) = 0
+2 + x - 8 = 0
x = +8 – 2 = +6
Отже, ступінь окиснення Сульфуру дорівнює плюс шість: 
У наступному прикладі з’ясуємо, як можна скласти формулу сполуки за відомими ступенями окиснення атомів елементів. Складемо формулу ферум(III) оксиду. Слово «оксид» означає, що справа від символу Феруму треба записати символ Оксигену: FeO.
Зазначимо ступені окиснення хімічних елементів над їх символами. Ступінь окиснення Феруму вказана в назві в дужках (III), отже, дорівнює +3, ступінь окиснення Оксигену в оксидах –2 : 
Знайдемо найменше спільне кратне для чисел 3 та 2, це 6. Розділемо число 6 на 3, одержимо число 2 – це індекс для Феруму. Розділемо число 6 на 2, одержимо число 3 – це індекс для Оксигену: 
У наступному прикладі з’ясуємо, як можна скласти формулу сполуки за відомими ступенями окиснення атомів елементів та зарядами іонів. Складемо формулу кальцій ортофосфату. Слово «ортофосфат» означає, що справа від символу Кальцію треба записати кислотний залишок ортофосфатної кислоти: CaPO4.
Зазначимо ступінь окиснення Кальцію (правило номер чотири) та заряд кислотного залишку (за таблицею розчинності): 
Знайдемо найменше спільне кратне для чисел 2 та 3, це 6. Розділемо число 6 на 2, одержимо число 3 – це індекс для Кальцію. Розділемо число 6 на 3, одержимо число 2 – це індекс для кислотного залишку: 
Немає коментарів:
Дописати коментар