Ионная связь

редактировать
Химическая связь, включающая притяжение между ионами

натрия и атомами фтора, подвергающимися окислительно-восстановительной реакции образуют фторид натрия. Натрий теряет свой внешний электрон, чтобы придать ему стабильную электронную конфигурацию, и этот электрон входит в атом фтора экзотермически. Противоположно заряженные ионы - обычно их очень много - затем притягиваются друг к другу, образуя твердое тело.

Ионная связь - это тип химической связи, которая включает электростатическое соединение. притяжение между противоположно заряженными ионами или между двумя атомами с резко разными электроотрицательностями, и является первичным взаимодействием, происходящим в ионных соединениях. Это один из основных типов соединения наряду с ковалентным соединением и металлическим соединением. Ионы - это атомы (или группы атомов) с электростатическим зарядом. Атомы, которые получают электроны, образуют отрицательно заряженные ионы (называемые анионами ). Атомы, теряющие электроны, образуют положительно заряженные ионы (называемые катионами ). Этот перенос электронов известен как электровалентность в отличие от ковалентности. В простейшем случае катион представляет собой атом металла, а анион представляет собой атом неметалла, но эти ионы могут иметь более сложную природу, например молекулярные ионы, такие как NH. 4или SO. 4. Проще говоря, ионная связь возникает в результате переноса электронов от металла к неметаллу с целью получения полной валентной оболочки для обоих атомов.

Важно понимать, что чистая ионная связь, при которой один атом или молекула полностью передает электрон другому, не может существовать: все ионные соединения имеют некоторую степень ковалентной связи или электрон обмен. Таким образом, термин «ионная связь» дается, когда ионный характер больше, чем ковалентный характер, то есть связь, в которой существует большая разница электроотрицательности между двумя атомами, в результате чего связь становится более сильной. полярная (ионная), чем при ковалентной связи, где электроны распределяются более равномерно. Связи с частично ионным и частично ковалентным характером называются полярными ковалентными связями.

Ионные соединения проводят электричество в расплавленном состоянии или в растворе, обычно не в твердом состоянии. Ионные соединения обычно имеют высокую точку плавления в зависимости от заряда ионов, из которых они состоят. Чем выше заряды, тем сильнее силы сцепления и выше температура плавления. Они также обычно растворимы в воде; чем сильнее силы сцепления, тем ниже растворимость.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Формирование
  • 3 Структуры
  • 4 Прочность соединения
  • 5 Эффекты поляризации
  • 6 Сравнение с ковалентное связывание
  • 7 См. также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

Обзор

Атомы, которые имеют почти полную или почти пустую валентную оболочку, как правило, очень реактивный. Сильно электроотрицательные атомы (как в случае с галогенами ) часто имеют только одну или две пустые орбитали в своей валентной оболочке и часто связываются с другими молекулами или получают электроны, образуя анионы. Слабо электроотрицательные атомы (такие как щелочные металлы ) имеют относительно мало валентных электронов, которые легко могут использоваться совместно с атомами, которые являются сильно электроотрицательными. В результате слабо электроотрицательные атомы имеют тенденцию искажать свое электронное облако и образовывать катионы.

Образование

Ионная связь может быть результатом окислительно-восстановительной реакции, когда атомы элемента (обычно металла ), энергия ионизации которого мала, отдают часть своих электронов для достижения стабильной электронной конфигурации. При этом образуются катионы. Атом другого элемента (обычно неметалла) с большим сродством к электрону принимает электрон (ы) для достижения стабильной электронной конфигурации, и после принятия электрона (ов) атом становится анионом. Обычно стабильная электронная конфигурация представляет собой один из благородных газов для элементов в s-блоке и p-блоке, и в частности стабильный электрон конфигурации для элементов d-block и f-block. Электростатическое притяжение между анионами и катионами приводит к образованию твердого тела с кристаллографической решеткой , в которой ионы уложены стопкой попеременно. В такой решетке обычно невозможно различить дискретные молекулярные единицы, так что образующиеся соединения немолекулярны по природе. Однако сами ионы могут быть комплексными и образовывать молекулярные ионы, такие как анион ацетата или катион аммония.

Например, обычная поваренная соль - это хлорид натрия. Когда натрий (Na) и хлор (Cl) объединяются, каждый из атомов натрия теряет по электрону, образуя катионы (Na), а каждый из атомов хлора получить электрон с образованием анионов (Cl). Затем эти ионы притягиваются друг к другу в соотношении 1: 1 с образованием хлорида натрия (NaCl).

Na + Cl → Na + Cl → NaCl

Однако для поддержания нейтральности заряда соблюдаются строгие соотношения между анионами и катионами, так что ионные соединения в целом подчиняются правилам стехиометрии, несмотря на то, что они не являются молекулярными соединениями. Для соединений, которые являются переходными по отношению к сплавам и обладают смешанной ионной и металлической связью, это может быть уже не так. Многие сульфиды, например, действительно образуют нестехиометрические соединения.

Многие ионные соединения называются солями, поскольку они также могут быть образованы в результате реакции нейтрализации основания Аррениуса, такого как NaOH, с кислотой Аррениуса, такой как HCl

NaOH + HCl → NaCl + H 2O

В этом случае говорят, что соль NaCl состоит из остатка кислоты Cl и остатка основания Na.

Представление ионной связи между литием и фтором с образованием фторида лития. Литий имеет низкую энергию ионизации и легко отдает свой одинокий валентный электрон атому фтора, который имеет положительное сродство к электрону и принимает электрон, подаренный атомом лития. В результате литий изоэлектронен с гелием, а фтор изоэлектронен с неоном. Электростатическое взаимодействие происходит между двумя образующимися ионами, но обычно агрегация не ограничивается двумя из них. Вместо этого результатом является агрегация в целую решетку, удерживаемую ионной связью.

Удаление электронов от катиона является эндотермическим, что увеличивает общую энергию системы. Также могут быть изменения энергии, связанные с разрывом существующих связей или добавлением более одного электрона с образованием анионов. Однако действие аниона, принимающего валентные электроны катиона, и последующее притяжение ионов друг к другу высвобождает (решеточную) энергию и, таким образом, снижает общую энергию системы.

Ионная связь будет происходить, только если общее изменение энергии реакции будет благоприятным. Обычно реакция является экзотермической, но, например, образование оксида ртути (HgO) является эндотермическим. Заряд образующихся ионов является основным фактором прочности ионной связи, например соль CA удерживается вместе электростатическими силами, примерно в четыре раза слабее, чем CA, согласно закону Кулона, где C и A представляют собой катион и анион общего вида соответственно. В этом довольно упрощенном аргументе не учитываются размеры ионов и конкретная упаковка решетки.

Структуры

Ионные соединения в твердом состоянии образуют решетчатые структуры. Двумя основными факторами, определяющими форму решетки, являются относительные заряды ионов и их относительные размеры. Некоторые структуры приняты рядом соединений; например, структура каменной соли хлорида натрия также соответствует многим галогенидам щелочных металлов и бинарным оксидам, таким как оксид магния. Правила Полинга содержат рекомендации по прогнозированию и рационализации кристаллических структур ионных кристаллов

Прочность связи

Для твердого кристаллического ионного соединения энтальпия изменение в образовании твердого тела из газообразных ионов называется энергией решетки. Экспериментальное значение энергии решетки может быть определено с помощью цикла Борна – Габера. Его также можно рассчитать (спрогнозировать) с помощью уравнения Борна – Ланде как суммы электростатической потенциальной энергии, рассчитанной путем суммирования взаимодействий между катионами и анионами, и короткодействующего отталкивающего термин потенциальной энергии. Электростатический потенциал можно выразить через межионное разделение и константу (константа Маделунга ), которая учитывает геометрию кристалла. Чем дальше от ядра, тем слабее щит. Уравнение Борна-Ланде дает разумное соответствие энергии решетки, например, хлорида натрия, где расчетное (прогнозируемое) значение составляет -756 кДж / моль, что сравнивается с -787 кДж / моль с использованием Цикл Борна – Габера. В водном растворе сила связывания может быть описана уравнением Бьеррума или Фуосса как функция зарядов ионов, довольно независимо от природы ионов, такой как полярность или размер. Чаще всего оценивается сила солевых мостиков. путем измерения равновесия между молекулами, содержащими катионные и анионоактивные центры, чаще всего в растворе. Константы равновесия в воде указывают на дополнительные вклады свободной энергии для каждого солевого мостика. Другим методом идентификации водородных связей также в сложных молекулах является кристаллография, иногда также ЯМР-спектроскопия.

Силы притяжения, определяющие силу ионной связи, можно смоделировать с помощью закона Кулона. Сила ионной связи обычно (указанные диапазоны варьируются) от 170 до 1500 кДж / моль.

Эффекты поляризации

Ионы в кристаллических решетках чисто ионных соединений: сферический ; однако, если положительный ион мал и / или сильно заряжен, он будет искажать электронное облако отрицательного иона, эффект, обобщенный в правилах Фаянса. Эта поляризация отрицательного иона приводит к накоплению плотности дополнительного заряда между двумя ядрами, то есть к частичной ковалентности. Более крупные отрицательные ионы поляризованы легче, но эффект обычно важен только тогда, когда задействованы положительные ионы с зарядами 3+ (например, Al). Однако ионы 2+ (Be) или даже 1+ (Li) демонстрируют некоторую поляризационную способность, потому что их размеры очень малы (например, LiI является ионным, но имеет некоторую ковалентную связь). Обратите внимание, что это не эффект ионной поляризации, который относится к смещению ионов в решетке из-за приложения электрического поля.

Сравнение с ковалентной связью

При ионной связи атомы связаны притяжением противоположно заряженных ионов, тогда как в ковалентной связи атомы связаны, разделяя электроны с достичь стабильных электронных конфигураций. При ковалентной связи геометрия молекулы вокруг каждого атома определяется правилами отталкивания пар электронов валентной оболочки VSEPR, тогда как в ионных материалах геометрия соответствует максимальной упаковке правила. Можно сказать, что ковалентное связывание является более направленным в том смысле, что штраф за несоблюдение оптимальных углов связи велик, тогда как ионное связывание не имеет такого штрафа. Нет общих электронных пар, которые бы отталкивали друг друга, ионы должны быть просто упакованы как можно эффективнее. Это часто приводит к гораздо более высоким координационным числам. В NaCl каждый ион имеет 6 связей, а все валентные углы равны 90 °. В CsCl координационное число равно 8. Для сравнения углерод обычно имеет максимум четыре связи.

Чисто ионной связи не может быть, поскольку близость сущностей, участвующих в связывании, позволяет в некоторой степени разделять электронную плотность между ними. Следовательно, вся ионная связь носит ковалентный характер. Таким образом, связывание считается ионным, если ионный характер больше, чем ковалентный. Чем больше разница в электроотрицательности между двумя типами атомов, участвующих в связывании, тем более ионной (полярной) она является. Связи с частично ионным и частично ковалентным характером называются полярными ковалентными связями. Например, взаимодействия Na – Cl и Mg – O обладают ковалентностью в несколько процентов, в то время как связи Si – O обычно составляют ~ 50% ионных и ~ 50% ковалентных. Полинг оценил, что разница электроотрицательностей 1,7 (по шкале Полинга ) соответствует 50% ионному характеру, так что разница больше 1,7 соответствует связи, которая преимущественно является ионной. Ионный характер ковалентных связей можно напрямую измерить для атомов, имеющих квадрупольные ядра (H, N, Br, Cl или I). Эти ядра обычно являются объектами исследований ЯКР ядерного квадрупольного резонанса и ЯМР ядерного магнитного резонанса. Взаимодействия между ядерными квадрупольными моментами Q и градиентами электрического поля (EFG) характеризуются константами ядерной квадрупольной связи

QCC = eq zz Q / h

, где eq zz член соответствует главной компоненте тензора ГЭП, а e - элементарный заряд. В свою очередь, градиент электрического поля открывает путь к описанию мод связывания в молекулах, когда значения QCC точно определены методами ЯМР или ЯКР.

В общем, когда ионная связь происходит в твердом (или жидком) состоянии, невозможно говорить об одной «ионной связи» между двумя отдельными атомами, потому что силы сцепления, удерживающие решетку вместе, более коллективного характера. Это совсем другое дело в случае ковалентной связи, где мы часто можем говорить об отдельной связи, локализованной между двумя конкретными атомами. Однако даже если ионная связь сочетается с некоторой ковалентностью, результатом не обязательно будут дискретные связи локализованного характера. В таких случаях результирующая связь часто требует описания в терминах зонной структуры, состоящей из гигантских молекулярных орбиталей, охватывающих весь кристалл. Таким образом, связь в твердом теле часто сохраняет свой коллективный, а не локализованный характер. Когда разница в электроотрицательности уменьшается, соединение может привести к полупроводнику, полуметаллу или, в конечном итоге, к металлическому проводнику с металлическим соединением.

См. Также

Литература

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-24 05:58:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте