Ионная связь и перенос электронов

Ионы – это атомы или молекулы, несущие электрический заряд. Катион (положительный ион) образуется, когда нейтральный атом теряет один или несколько электронов из своей валентной оболочки, а анион (отрицательный ион) образуется, когда нейтральный атом получает один или несколько электронов в своей валентной оболочке. Соединения, состоящие из ионов, называются ионными соединениями (или солями), а составляющие их ионы удерживаются вместе ионными связями: электростатическими силами притяжения между противоположно заряженными катионами и анионами. & nbsp;

Свойства ионных соединений

Свойства ионных соединений проливают некоторый свет на природу ионных связей.

• Ионные твердые тела имеют кристаллическую структуру и имеют тенденцию быть жесткими и хрупкими; они также имеют высокие точки плавления и кипения, что говорит о том, что ионные связи очень прочны.  
• Ионные твердые вещества также являются плохими проводниками электричества по той же причине — прочность ионных связей препятствует свободному перемещению ионов в твердом состоянии.  
• Однако большинство ионных твердых частиц легко растворяются в воде. После растворения или расплавления ионные соединения являются превосходными проводниками электричества и тепла, так как ионы могут свободно перемещаться.

Образование ионных соединений

Многие металлические элементы обладают относительно низкими потенциалами ионизации и легко теряют электроны. Эти элементы лежат слева в период или около нижней части группы на периодической таблице. Неметаллические атомы имеют относительно высокую электроническую аффинность и, таким образом, легко получают электроны, потерянные атомами металла, тем самым заполняя их валентные оболочки. Неметаллические элементы находятся в правом верхнем углу периодической таблицы.

Поскольку все вещества должны быть электрически нейтральными, общее количество положительных зарядов на катиях ионного соединения должно равняться общему количеству отрицательных зарядов на его анионах. Формула ионного соединения представляет собой простейшее соотношение количества ионов, необходимое для получения одинаковых чисел положительных и отрицательных зарядов.  

Ионные соединения регулярно упорядочены 3-мерными структурами

Однако важно отметить, что формула для ионного соединения не представляет физического расположения его ионов. Неверно обращаться к “молекуле” хлорида натрия (NaCl), поскольку между какой-либо конкретной парой ионов натрия и хлорида отсутствует одна ионная связь, как таковая. силы притяжения между ионами изотропно — одинаково во всех направлениях — это означает, что любой конкретный ион одинаково притягивается ко всем ближайщим ионам противоположного заряда. Это приводит к размещению ионов в тесно связанной, трёхмерной решетчатой структуре. Хлорид натрия, например, состоит из регулярного расположения равных чисел катионов Na⁺ и CL^–. Сильное электростатическое притяжение между ионами Na⁺ и CL^– прочно удерживает их в твердом растворе NaCl. Для разделения одного моль твердого NaCl на отдельные газообразные ионы Na+ и CL– требуется 769 кДж энергии.  

Электронные структуры катионов

При формировании катиона атом основного элемента группы имеет тенденцию терять все свои валентные электроны, таким образом, предполагая электронную структуру благородного газа, предшествующего ему в периодической таблице.  

• Для групп 1 (щелочные металлы) и 2 (щелочные металлы) номера групп равны количеству электронов оболочки валентности и, следовательно, к зарядам катионов, образующихся из атомов этих элементов при удалении всех электронов оболочки валентности.  
• Например, кальций представляет собой элемент группы 2, нейтральные атомы которых имеют 20 электронов, а наземная электронная конфигурация 1s22s22p63s23p64s2. Когда атом CA теряет оба своих валентных электрона, результатом становится катион с 18 электронами, заряд 2+ и конфигурация электронов 1s22s22p63s23p6. Таким образом, ион Ca2+ является изоэлектронным с Noble Gas AR.
• Для групп 13–17 число групп превышает число валентных электронов на 10 (учитывая возможность полных d-субоболочек в атомах элементов в четвёртый и больший периоды). Таким образом, заряд катиона, образованный потерей всех валентных электронов, равен номеру группы минус 10. Например, алюминий (в группе 13) образует более 3 ионов (Al3⁺).

Исключения

• Исключения из ожидаемого поведения включают в себя элементы в нижней части групп.  
• В дополнение к ожидаемым ионам TL3+, Sn4+, PB4+ и Bi5+, частичная потеря электронов в оболочке валентности этих атомов может также привести к образованию ионов Tl+, SN2+, Pb2+ и Bi3+. Формирование этих 1+, 2+ и 3+ катионов приписано эффекту инертной пары, который отражает относительно низкую энергию пары валентных s-электронных для атомов тяжелых элементов групп 13, 14 и 15.  
• Ртуть (группа 12) также проявляет неожиданное поведение: Она образует диатомный ион, Hg2₂⁺ (ион, образованный из двух атомов ртути, с связью Hg-Hg), в дополнение к ожидаемому моноатомному иону Hg2⁺ (образованному только из одного атома ртути).
• Элементы переходных и внутренних переходных металлов ведут себя иначе, чем элементы основной группы. Большинство переходных металлических катионов имеют 2+ или 3+ зарядок, которые сначала возникают из-за потери самого дальнего электрона (электрона), а иногда и из-за потери одного или двух d-электронов из следующей в самую дальнюю оболочку.
• Несмотря на то, что в соответствии с принципом Ауфбау в последние годы при построении электронных конфигураций заполняются д орбита переходных элементов, самые дальние электроны первыми теряются при ионизации атомов. Когда внутренние переходные металлы образуют ионы, они обычно имеют заряд 3+, что является результатом потери самых дальних электронов и d или f электрона.

Электронные структуры анионов

Большинство моноатомных анионов образуются, когда нейтральный неметаллический атом получает достаточно электронов для полного заполнения его внешних и п орбит, тем самым достигая электронной конфигурации следующего благородного газа. Таким образом, определить заряд на таком отрицательном ионе просто: Заряд равен количеству электронов, которые должны быть получены для заполнения S и p орбит родительского атома. Кислород, например, имеет электронную конфигурацию 1s22s22p4, в то время как анион кислорода имеет электронную конфигурацию Noble Gas NEON (Ne), 1s22s22p6. Два дополнительных электрона, необходимых для заполнения валентных орбиталей, дают оксиду заряд 2– (O^2–).

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 7.3: Ионные связи.