Ионные соединения: Формулы и номенклатура

Элемент, состоящий из атомов, которые легко теряют электроны (металл), может взаимодействовать с элементом, состоящим из атомов, которые легко получают электроны (неметаллические) для получения ионов посредством полной передачи электрона. Соединение, образованное этим переносом, стабилизируется электростатические притяжения (ионные связи) между противоположно заряженными ионами.

Перемещаясь от крайнего правого к левому краю периодического стола, неметаллические элементы часто получают электроны, образующие анионы с тем же количеством электронов, что и атом следующего благородного газа в периодической таблице, а отрицательный заряд равен количеству групп, перемещенных из благородных газов. То есть атомы группы 17 получают один электрон и образуют анионы с зарядом 1− атомы группы 16 получают два электрона и образуют ионы с зарядом 2&minus и так далее. Например, нейтральный атом кислорода с 8 протонами и 8 электронами легко получает два электрона. Это приводит к аниону с 8 протонами, 10 электронами и зарядкой 2 и является символов O2^. Анион O² имеет такое же количество электронов, как и следующий благородный газ – неон. Название анионов — название неметаллического элемента с его концовкой, замененного суффиксом -ide, поэтому O2^– называется оксидом.

Переходные металлы и некоторые другие металлы часто имеют переменные заряды, которые не предсказуемы по своему расположению в таблице. Например, медь может образовывать ионы с зарядкой 1+ или 2+, а железо может образовывать ионы с зарядкой 2+ или 3+.

В каждом ионном соединении общее количество положительных зарядов катионов равно общему количеству отрицательных зарядов анионов. Таким образом, ионные соединения электрически нейтральны, даже если они содержат положительные и отрицательные ионы. Формула ионного соединения должна иметь отношение ионов таким образом, чтобы количество положительных и отрицательных зарядов было одинаковым.

Например, если вещество содержит алюминий и кислород в форме Al3⁺ и O2^, формула вещества будет Al2O₃. Два ионов алюминия, каждый с зарядкой 3+, дадут нам шесть положительных зарядов, а три иона оксида, каждый с зарядкой 2-, дадут нам шесть отрицательных зарядов. Таким образом, соединение будет электрически нейтральным, с таким же количеством положительных и отрицательных зарядов.

Многие ионные соединения содержат полиатомные ионы как катион, анион или и то, и другое. Полиатомные ионы — это группа связанных атомов, которые выступают в качестве дискретных единиц, несущих общий заряд. Как и в случае простых ионных соединений, эти соединения также должны быть электрически нейтральными, поэтому их формулы можно предсказать, обрабатывая полиатомные ионы как дискретные единицы. Скобки используются в формуле для обозначения полиатомных ионов, которые ведут себя как единичная единица. Например, формула для фосфата кальция, одного из минералов в костях, — CA₃(PO₄)₂. В состав входит полиатомный ион PO4₃^, состоящий из одного атома фосфора и четырех атомов кислорода и имеющий общий заряд 3-. Эта формула показывает, что на каждые две группы PO43 (всего шесть положительных зарядов) приходится три иона Ca2+ (всего шесть отрицательных зарядов). Соединение электрически нейтрально, и его формула показывает общее количество трех атомов Ca, двух P и восьми O.

Ионные соединения представлены формулой, указывающей относительное количество составляющих их ионов. Для соединений, содержащих только одноатомные ионы (например, NaCl) и для многих соединений, содержащих полиатомные ионы (например, CaSO₄), эти формулы являются лишь эмпирическими формулами. Однако формулы для некоторых ионных соединений, содержащих полиатомные ионы, не являются эмпирическими формулами. Например, ионное соединение оксалата натрия состоит из ионов Na+ и C2O42-, Объединенных в соотношении 2:1, и его формула написана как Na2C2O₄.  

Номенклатура ионных соединений

Название бинарного соединения, содержащего моноатомные ионы, состоит из названия катиона (названия металла), за которым следует название аниона (название неметаллического элемента с его концовкой, замененного суффиксом -ide). Например, название Na2O — оксид натрия.

Соединения, содержащие полиатомные ионы, также называются аналогично соединениям, содержащим только моноатомные ионы, т.е. путем присвоения имени сначала катиону, а затем иону. Например, название CaSO₄ — сульфат кальция.

Большинство переходных металлов и некоторые металлы основной группы могут образовывать две или более катионов с разными зарядами. Соединения этих металлов с неметаллами названы тем же методом, что и бинарные соединения, за исключением того, что заряд иона металла указан римской цифрой в скобках после названия металла.  

Заряд металлического иона определяется по формуле соединения и заряда аниона. Например, в бинарном ионном соединении из железа и хлора железо обычно имеет заряд 2+ или 3+, а две соответствующие смеси — FeCl₂ и FeCl₃. В таких случаях заряд металлического иона включается в качестве римского числа в скобках сразу после названия металла. Таким образом, эти два соединения называются хлоридом железа(II) и хлоридом железа(III) соответственно.  

Ионные соединения, содержащие молекулы воды в качестве интегральных компонентов их кристаллов, называются гидратами. Название ионного гидрата определяется добавлением термина к названию безводного (то есть, “не гидратированное”) соединения, который указывает количество молекул воды, связанных с каждой формульной единицей соединения. Добавленное слово начинается с греческого префикса, обозначающего количество молекул воды, и заканчивается “гидратом”. Например, сульфат меди(II) безводного соединения также существует как гидрат, содержащий пять молекул воды и называемый пентагидрат сульфата меди(II) (пента = 5). Стиральная сода – это общее название гидрата карбоната натрия, содержащего десять молекул воды; систематическое название – декагидрат карбоната натрия (дека = 10).

Формулы для ионных гидратов записываются путем добавления вертикально центрированной точки, коэффициента, представляющего количество молекул воды, и формулы для воды. Например, пентагидрат сульфата меди(II) записан как CuSO₄∙5H₂О.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 2.6: Молекулярные и ионные соединения и Openstax, Химия 2е изд., раздел 2.7: Химическая номенклатура.