9.3:

이온결합과 전자 이동

JoVE 핵심
화학
JoVE 비디오를 활용하시려면 도서관을 통한 기관 구독이 필요합니다.  전체 비디오를 보시려면 로그인하거나 무료 트라이얼을 시작하세요.
JoVE 핵심 화학
Ionic Bonding and Electron Transfer

34,158 Views

02:48 min
September 03, 2020

이온은 전기전하를 가하는 원자 또는 분자입니다. 중성 원자가 그 원자 껍질에서 하나 이상의 전자를 분실할 때 양이온(양성 이온)은 형성되며, 중성 원자가 그 원자가 그 원자 껍질에서 하나 이상의 전자를 얻을 때 음이온(네거티브 이온)이 형성됩니다. 이온으로 구성된 화합물은 이온 화합물(또는 염)이라고 불리며, 이온의 구성 이온은 이온 결합에 의해 함께 유지됩니다: 반대로 충전된 양이온과 음이온 사이의 어트랙션의 정전기력.

이오닉 화합물의 특성

이온 화합물의 특성은 이온 결합의 특성에 약간의 빛을 발산.

  • 이온 고체는 결정 구조를 나타내고 경직되고 부서지기 쉬운 경향이 있습니다. 그들은 또한 높은 용융 및 끓는 점을 가지고하는 경향이, 이는 이온 결합이 매우 강한 것을 시사.
  • 이온 고체는 또한 같은 이유로 전기의 가난한 도체입니다 — 이온 결합의 강도는 고체 상태에서 자유롭게 이동에서 이온을 방지합니다.
  • 그러나 대부분의 이온 고체는 물에 쉽게 녹아 들어 보입니다. 일단 용해되거나 녹으면 이온 화합물은 이온이 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 전기와 열의 우수한 도체입니다.

이오닉 화합물의 형성

많은 금속 원소는 상대적으로 낮은 이온화 잠재력을 가지고 쉽게 전자를 잃게됩니다. 이러한 요소는 기간 의 왼쪽 또는 주기표에 있는 그룹의 맨 아래에 있습니다. 비금속 원자는 상대적으로 높은 전자 화도를 가지고 있으므로 금속 원자에 의해 손실 된 전자를 쉽게 얻을 수 있으므로 원자 껍질을 채웁니다. 비금속 요소는 주기표의 오른쪽 상단 모서리에서 발견됩니다.

모든 물질이 전기적으로 중성이어야 하므로 이온 화합물의 양이온에 대한 총 양전하 수는 음전도의 총 수와 같아야 합니다. 이온 화합물의 공식은 양수 및 음전하의 동일한 숫자를 제공하는 데 필요한 이온 수의 가장 간단한 비율을 나타냅니다.

이온 화합물 양식 정기적으로 배치 된 3 차원 구조

그러나 이온 화합물에 대한 공식은 이온의 물리적 배열을 나타내지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 염화나트륨(NaCl) “분자”를 지칭하는 것은 특정 한 쌍의 나트륨과 염화물 이온 사이에 단일 이온 결합이 없기 때문에 올바르지 않습니다. 이온 사이의 매력적인 힘은 모든 방향에서 동일등 동위성이며, 이는 특정 이온이 반대 의 모든 이온에 동등하게 끌린다는 것을 의미합니다. 이로 인해 이온이 단단히 결합된 3차원 격자 구조로 배열됩니다. 염화 나트륨은 예를 들어, Na+ 양이온 및 Cl 음이온의 동일한 수의 정기적 인 배열로 구성됩니다. Na+와 Cl 사이의 강한 정전기 매력 이온은 단단한 NaCl에서 단단히 함께 고정됩니다. 그것은 별도의 기체 Na+ 및 Cl 이온으로 고체 NaCl의 한 두더지 해리769 kJ가 필요합니다.

양이온의 전자 구조

양이온을 형성할 때, 주요 그룹 요소의 원자는 모든 원자 전자를 잃는 경향이 있으므로 주기적인 표에서 선행되는 고귀한 가스의 전자 구조를 가정합니다.

  • 그룹 1(알칼리 금속) 및 2(알칼리 성 금속)의 경우, 그룹 번호는 칭스 쉘 전자의 수와 같으며, 따라서 모든 원자 쉘 전자가 제거될 때 이들 원소의 원자로부터 형성된 양이온의 전하에 있다.
  • 예를 들어, 칼슘은 중성 원자가 20개의 전자와1s2 22 2p6 3s 2 3p64 s 2의 지상 상태 전자구성을갖는 그룹 2 원소이다. Ca 원자가 그 원자 전자를 모두 분실할 때, 결과는 1 s 22s2 2 p63s23p6의전자 구성, 2+ 전하 및 전자 구성으로 양이온입니다. 따라서 Ca2+ 이온은 고귀한 가스 Ar과 이소전자입니다.
  • 그룹 13-17의 경우, 그룹 번호는 10에 의해 원자 전자의 수를 초과 (네 번째 및 더 큰 기간에 원소의 원자에 전체 d 서브 쉘의 가능성을 고려). 따라서, 모든 원자전자의 손실에 의해 형성된 양이온의 전하는 그룹 번호 마이너스 10과 같다. 예를 들어, 알루미늄(그룹 13)은 3+ 이온(Al3+)을형성합니다.

예외

  • 예상 동작에 대한 예외에는 그룹 하단에 대한 요소가 포함됩니다.
  • 예상 이온 Tl3+,Sn4+,Pb4+및 Bi5+이외에, 이러한 원자의 원자 쉘 전자의 부분 손실은 또한 Tl+,Sn2 +Pb 2 + 및 Bi3+이온의 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 1+, 2+, 3+ 양이온의 형성은 불활성 쌍 효과에 기인하며, 이는 그룹 13, 14 및 15의 무거운 원소의 원자에 대한 valence s-전자쌍의 상대적으로 낮은 에너지를 반영합니다.
  • 수은(12군)은 또한 예상치 못한 행동을 나타낸다: 그것은 다이토믹 이온, Hg22+ (Hg-Hg 결합이 있는 두 개의 수은 원자에서 형성된 이온)을 형성하며, 예상된 monatomic ion Hg2+ (단 하나의 수은 원자에서만 형성됨).
  • 전환 및 내부 전환 금속 요소는 주요 그룹 요소와 다르게 행동합니다. 대부분의 전이 금속 양이온은 가장 바깥쪽 전자의 손실로 인한 2+ 또는 3+ 전하를 가지며, 때로는 다음에서 바깥쪽 껍질에서 하나 또는 두 개의 d 전자를 잃습니다.
  • 전이 요소의 d 궤도는 전자 구성을 구축 할 때 마지막으로 채우는 Aufbau 원칙에 따라 있지만, 가장 바깥쪽 전자는 이러한 원자가 이온화 할 때 가장 먼저 손실됩니다. 내부 전이 금속이 이온을 형성할 때, 그들은 일반적으로 그들의 가장 바깥쪽 s 전자및 d 또는 f 전자의 손실에서 기인하는 3+ 전하가 있습니다.

아니온의 전자 구조

대부분의 원자 해부학 적 원자는 중성 비금속 원자가 완전히 외부 s와 p 궤도를 채우기에 충분한 전자를 얻을 때 형성, 따라서 다음 고귀한 가스의 전자 구성에 도달. 따라서, 이러한 음의 이온에 대한 전하를 결정하는 것은 간단하다: 전하는 부모 원자의 s와 p 궤도를 채우기 위해 얻어져야 하는 전자의 수와 동일하다. 산소는 예를 들어, 전자 구성 1 s2 2s2 2p4를가지며, 산소 음이온은 고귀한 가스 네온(Ne), 1s2s2 2p6의전자구성을가지고 있다. 원자 궤도를 채우는 데 필요한 두 개의 추가 전자는 산화화물 이온에게 2 – (O2–)의전하를 제공합니다.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 7.3: 이온 본딩에서 적용됩니다.