پیوند یونی بین اتم ها نحوه تشکیل پیوند یونی: مثالها ویژگی های پیوند یونی

7.1. پیوندهای شیمیایی چیست؟

در فصل های قبل با ترکیب و ساختار اتم های جدا شده عناصر مختلف آشنا شدید و ویژگی های انرژی آنها را مطالعه کردید. اما در طبیعت اطراف ما، اتم های جدا شده بسیار نادر هستند. اتم‌های تقریباً همه عناصر «مایلند» با هم ترکیب شوند و مولکول‌ها یا دیگر ذرات شیمیایی پیچیده‌تر را تشکیل دهند. معمولاً گفته می شود که در این مورد پیوندهای شیمیایی بین اتم ها ایجاد می شود.

الکترون ها در تشکیل پیوندهای شیمیایی نقش دارند. با مطالعه این فصل خواهید آموخت که چگونه این اتفاق می افتد. اما ابتدا باید به این سوال پاسخ دهیم که چرا اتم ها پیوندهای شیمیایی تشکیل می دهند. ما حتی بدون دانستن چیزی در مورد ماهیت این ارتباطات می توانیم به این سؤال پاسخ دهیم: "زیرا از نظر انرژی مفید است!" اما، در پاسخ به این سوال که در زمان تشکیل پیوندها، افزایش انرژی از کجا می آید، سعی خواهیم کرد بفهمیم پیوندهای شیمیایی چگونه و چرا تشکیل می شوند.

درست مانند ساختار الکترونیکی اتم‌ها، شیمی کوانتومی پیوندهای شیمیایی را با جزئیات و کاملاً علمی مطالعه می‌کند و من و شما تنها می‌توانیم از برخی از مهم‌ترین نتیجه‌گیری‌های دانشمندان استفاده کنیم. در این مورد برای توصیف پیوندهای شیمیایی از یکی از ساده ترین مدل ها استفاده می کنیم که وجود سه نوع پیوند شیمیایی (یونی، کووالانسی و فلزی) را فراهم می کند.

به یاد داشته باشید - فقط با دانستن محدودیت های کاربردی این مدل می توانید از هر مدلی به درستی استفاده کنید. مدلی که ما استفاده خواهیم کرد نیز محدودیت های کاربردی خود را دارد. به عنوان مثال، در چارچوب این مدل، توصیف پیوندهای شیمیایی در مولکول‌های اکسیژن، بیشتر بوروهیدریدها و برخی مواد دیگر غیرممکن است. مدل های پیچیده تری برای توصیف پیوندهای شیمیایی در این مواد استفاده می شود.

1. اگر اندازه اتم های پیوند شونده بسیار متفاوت باشد، اتم های کوچک (مستعد پذیرش الکترون) الکترون ها را از اتم های بزرگ (مستعد اهدای الکترون) می گیرند. پیوند یونی. انرژی یک کریستال یونی کمتر از انرژی اتم های جدا شده است، بنابراین یک پیوند یونی حتی زمانی رخ می دهد که اتم نتواند با اهدای الکترون، پوسته الکترونی خود را کامل کند (ممکن است ناقص بماند. د- یا f-سطح فرعی). بیایید به نمونه هایی نگاه کنیم.

2. اگر اتم های پیوند کوچک هستند ( r o<1), то все они склонны принимать электроны, а отдавать их не склонны; поэтому отобрать друг у друга электроны такие атомы не могут. В этом случае связь между ними возникает за счет попарного обобществления неспаренных валентных электронов: один электрон одного атома и один электрон другого атома с разными спинами образуют пару электронов, принадлежащую обоим атомам и связывающую их. Так образуется پیوند کووالانسی.
تشکیل پیوند کووالانسی در فضا را می توان به عنوان یک همپوشانی در نظر گرفت ابرهای الکترونیالکترون های ظرفیتی جفت نشده اتم های مختلف. در این حالت، یک جفت الکترون یک ابر الکترونی مشترک را تشکیل می دهد که اتم ها را به هم متصل می کند. هر چه چگالی الکترون در ناحیه همپوشانی بیشتر باشد، با تشکیل چنین پیوندی انرژی بیشتری آزاد می شود.
قبل از بررسی ساده‌ترین نمونه‌های تشکیل پیوند کووالانسی، ما موافقت می‌کنیم که الکترون‌های ظرفیت یک اتم را با نقطه‌هایی در اطراف نماد این اتم، با یک جفت نقطه نشان‌دهنده جفت‌های الکترون تنها و جفت الکترون‌های یک پیوند کووالانسی نشان دهیم. و نقاط منفرد نشان دهنده الکترون های جفت نشده. با این نامگذاری، پیکربندی الکترونیکی ظرفیت یک اتم، به عنوان مثال، فلوئور، با نماد، و اتم اکسیژن - نشان داده می شود. فرمول های ساخته شده از چنین نمادهایی نامیده می شوند فرمول های الکترونیکییا فرمول های لوئیس (شیمیدان آمریکایی گیلبرت نیوتن لوئیس آنها را در سال 1916 پیشنهاد کرد). فرمول های الکترونیکی از نظر میزان اطلاعات ارسالی در گروه فرمول های ساختاری قرار می گیرند. نمونه هایی از تشکیل پیوندهای کووالانسی توسط اتم ها:

3. اگر اتم های پیوند بزرگ هستند ( r o > 1A)، سپس همه آنها کم و بیش تمایل دارند که الکترون های خود را رها کنند و تمایل آنها به پذیرش الکترون های دیگران ناچیز است. بنابراین، این اتم های بزرگ نیز نمی توانند با یکدیگر پیوند یونی تشکیل دهند. پیوند کووالانسی بین آنها نیز نامطلوب است، زیرا چگالی الکترون در ابرهای الکترونی بزرگ خارجی ناچیز است. در این حالت، هنگامی که یک ماده شیمیایی از چنین اتمی تشکیل می‌شود، الکترون‌های ظرفیت همه اتم‌های پیوندی مشترک می‌شوند (الکترون‌های ظرفیت برای همه اتم‌ها مشترک می‌شوند)، و یک کریستال فلزی (یا مایع) تشکیل می‌شود که در آن اتم‌ها با یکدیگر به هم متصل می‌شوند. یک پیوند فلزی

چگونه می توان تعیین کرد که چه نوع پیوندهایی اتم های عناصر را در یک ماده خاص تشکیل می دهند؟
با توجه به موقعیت عناصر در سیستم طبیعی عناصر شیمیایی، به عنوان مثال:
1. کلرید سزیم CsCl. اتم سزیم (گروه IA) بزرگ است و به راحتی یک الکترون را رها می کند و اتم کلر (گروه VIIA) کوچک است و به راحتی آن را می پذیرد، بنابراین پیوند در کلرید سزیم یونی است.
2. دی اکسید کربن CO 2 . اتم های کربن (گروه IVA) و اکسیژن (گروه VI) از نظر اندازه تفاوت چندانی ندارند - هر دو کوچک هستند. آنها در تمایل خود به پذیرش الکترون ها کمی متفاوت هستند، بنابراین پیوند در مولکول CO 2 کووالانسی است.
3. نیتروژن N 2. ماده ساده اتم های پیوند خورده یکسان و کوچک هستند، بنابراین، پیوند در مولکول نیتروژن کووالانسی است.
4. کلسیم کلسیم. ماده ساده اتم های پیوند شده یکسان و بسیار بزرگ هستند، بنابراین پیوند در کریستال کلسیم فلزی است.
5. باریم-تتراآلومینیوم BaAl 4. اتم های هر دو عنصر بسیار بزرگ هستند، به خصوص اتم های باریم، بنابراین هر دو عنصر تمایل دارند فقط الکترون ها را رها کنند، بنابراین پیوند در این ترکیب فلزی است.

پیوند یونی، پیوند کووالانسی، پیوند فلزی، شرایط تشکیل آنها.
1. علت اتصال اتم ها و ایجاد پیوندهای شیمیایی بین آنها چیست؟
2. چرا گازهای نجیب نه از مولکول، بلکه از اتم تشکیل شده اند؟
3. تعیین نوع پیوند شیمیایی در ترکیبات دوتایی: a) KF, K 2 S, SF 4 . ب) MgO، Mg 2 Ba، OF 2. ج) Cu 2 O، CaSe، SeO 2. 4. تعیین نوع پیوند شیمیایی در مواد ساده: الف) Na، P، Fe; ب) S 8، F 2، P 4; ج) Mg، Pb، Ar.

7.Z. یون ها پیوند یونی

در پاراگراف قبل، شما با یون هایی آشنا شدید که با پذیرش یا اهدای الکترون اتم های منفرد تشکیل می شوند. در این حالت، تعداد پروتون های هسته اتم از بین می رود برابر عددالکترون ها در پوسته الکترونی هستند و ذرات شیمیایی بار الکتریکی پیدا می کنند.
اما یک یون همچنین می تواند مانند یک مولکول حاوی بیش از یک هسته باشد. چنین یونی یک سیستم منفرد است که از چندین هسته اتمی و یک پوسته الکترونی تشکیل شده است. بر خلاف یک مولکول، تعداد کل پروتون های هسته با تعداد کل الکترون های لایه الکترونی برابر نیست، بنابراین بار الکتریکی یون است.

چه نوع یون هایی وجود دارد؟ یعنی چگونه می توانند تفاوت داشته باشند؟
بر اساس تعداد هسته های اتم، یون ها به دو دسته تقسیم می شوند ساده(یا تک اتمی) یعنی حاوی یک هسته (مثلاً: K, O 2) و مجتمع(یا چند اتمی) یعنی حاوی چندین هسته (به عنوان مثال: CO 3 2, 3). یون های ساده آنالوگ های باردار اتم ها و یون های پیچیده آنالوگ های باردار مولکول ها هستند.
یون ها بر اساس علامت بار خود به کاتیون ها تقسیم می شوند و آنیون ها.

نمونه هایی از کاتیون ها: K (یون پتاسیم)، Fe 2 (یون آهن)، NH 4 (یون آمونیوم)، 2 (یون مس تترا آمین). نمونه هایی از آنیون ها: Cl (یون کلرید)، N 3 (یون نیترید)، PO 4 3 (یون فسفات)، 4 (یون هگزاسیانوفرات).

با توجه به مقدار شارژ، یون ها به دو دسته تقسیم می شوند تک تیر(K، Cl، NH 4، NO 3، و غیره)، دو بار شارژ شده(Ca 2، O 2، SO 4 2، و غیره) سه شارژر(Al 3، PO 4 3، و غیره) و غیره.

بنابراین، ما یون PO 4 3 را یک آنیون پیچیده سه باردار و یون Ca 2 را یک کاتیون ساده با بار مضاعف می نامیم.

علاوه بر این، یون ها در اندازه های خود نیز متفاوت هستند. اندازه یک یون ساده با شعاع آن یون یا شعاع یونی. تعیین اندازه یونهای پیچیده دشوارتر است. شعاع یک یون، مانند شعاع یک اتم، نمی‌تواند مستقیماً اندازه‌گیری شود (همانطور که می‌دانید، یون هیچ مرز مشخصی ندارد). بنابراین، برای مشخص کردن یون های جدا شده از آنها استفاده می کنند شعاع یونی مداری(نمونه ها در جدول 17 آمده است).

جدول 17. شعاع مداری چند یون ساده

		مداری شعاع، A			مداری شعاع، A
لی			اف		0,400
Na			Cl		0,742
ک			برادر		0,869
Rb			من		1,065
Cs			O2		0,46
2 باش			S 2		0,83
Mg 2

پیوند یونی

(از مطالب سایت http://www.hemi.nsu.ru/ucheb138.htm استفاده شد)

پیوند یونی از طریق جاذبه الکترواستاتیکی بین یون های دارای بار مخالف اتفاق می افتد. این یون ها در نتیجه انتقال الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر تشکیل می شوند. یک پیوند یونی بین اتم هایی که دارای تفاوت های الکترونگاتیوی بزرگ هستند (معمولاً بیشتر از 1.7 در مقیاس پالینگ) ایجاد می شود، به عنوان مثال، بین اتم های فلز قلیایی و هالوژن.

اجازه دهید با استفاده از مثال تشکیل NaCl، وقوع پیوند یونی را در نظر بگیریم.

از فرمول های الکترونیکی اتم ها

Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 و

Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

واضح است که برای تکمیل سطح خارجیبرای یک اتم سدیم راحت تر است که یک الکترون بدهد تا هفت الکترون بگیرد و برای یک اتم کلر راحت تر از به دست آوردن هفت الکترون است. در واکنش های شیمیایی، اتم سدیم یک الکترون می دهد و اتم کلر آن را می گیرد. در نتیجه پوسته های الکترونیکیاتم های سدیم و کلر به لایه های الکترونی پایدار گازهای نجیب تبدیل می شوند (پیکربندی الکترونیکی کاتیون سدیم

Na + 1s 2 2s 2 2p 6,

و پیکربندی الکترونیکی آنیون کلر است

Cl – - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6).

برهمکنش الکترواستاتیکی یون ها منجر به تشکیل یک مولکول NaCl می شود.

ماهیت پیوند شیمیایی اغلب در منعکس می شود حالت تجمعو خواص فیزیکی ماده ترکیبات یونی مانند کلرید سدیم NaCl سخت و نسوز هستند زیرا بین بارهای یون های "+" و "-" آنها نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی قوی وجود دارد.

یون کلر با بار منفی نه تنها یون Na+ "خود"، بلکه سایر یون های سدیم اطراف خود را نیز جذب می کند. این منجر به این واقعیت می شود که در نزدیکی هر یک از یون ها یک یون با علامت مخالف وجود ندارد، بلکه چندین یون وجود دارد.

ساختار بلور سدیم کلرید NaCl.

در واقع در اطراف هر یون کلر 6 یون سدیم و در اطراف هر یون سدیم 6 یون کلرید وجود دارد. این بسته بندی منظم یون ها، کریستال یونی نامیده می شود. اگر یک اتم کلر منفرد در یک کریستال جدا شود، در بین اتم های سدیم اطراف آن دیگر نمی توان اتمی که کلر با آن واکنش نشان می داد پیدا کرد.

یون ها که توسط نیروهای الکترواستاتیک به یکدیگر جذب می شوند، به شدت تمایلی به تغییر مکان خود تحت تأثیر نیروی خارجی یا افزایش دما ندارند. اما اگر کلرید سدیم ذوب شود و گرمایش در خلاء ادامه یابد، تبخیر شده و مولکول‌های NaCl دیاتومیک را تشکیل می‌دهند. این نشان می دهد که نیروهای پیوند کووالانسی هرگز به طور کامل خاموش نمی شوند.

مشخصات اولیه پیوندهای یونی و خواص ترکیبات یونی

1. پیوند یونی یک پیوند شیمیایی قوی است. انرژی این پیوند در حد 300 تا 700 کیلوژول بر مول است.

2. بر خلاف پیوند کووالانسی، پیوند یونی غیر جهت دار است زیرا یک یون می تواند یون های علامت مخالف را در هر جهتی به سمت خود جذب کند.

3. بر خلاف پیوند کووالانسی، پیوند یونی اشباع نشده است، زیرا برهمکنش یون های علامت مخالف منجر به جبران کامل دوجانبه میدان های نیروی آنها نمی شود.

4. در حین تشکیل مولکول های دارای پیوند یونی، انتقال کامل الکترون ها صورت نمی گیرد، بنابراین پیوندهای یونی صد در صد در طبیعت وجود ندارد. در مولکول NaCl، پیوند شیمیایی تنها 80 درصد یونی است.

5. ترکیبات دارای پیوند یونی جامد هستند مواد کریستالی، دارای نقطه ذوب و جوش بالا.

6. بیشتر ترکیبات یونی در آب محلول هستند. محلول ها و ذوب ترکیبات یونی انجام می شود جریان الکتریکی.

اتصال فلزی

بلورهای فلزی ساختار متفاوتی دارند. اگر یک قطعه فلز سدیم را بررسی کنید، متوجه می شوید که ظاهر آن با نمک خوراکی بسیار متفاوت است. سدیم فلزی نرم است که به راحتی با چاقو بریده می شود، با چکش صاف می شود، می توان آن را به راحتی در فنجان روی چراغ الکلی ذوب کرد (نقطه ذوب 97.8 درجه سانتیگراد). در یک کریستال سدیم، هر اتم توسط هشت اتم مشابه دیگر احاطه شده است.

ساختار بلوری سدیم فلزی.

شکل نشان می دهد که اتم Na در مرکز مکعب دارای 8 همسایه نزدیک است. اما همین را می توان در مورد هر اتم دیگری در کریستال گفت، زیرا همه آنها یکسان هستند. کریستال متشکل از قطعات تکرار شونده "بی نهایت" است که در این شکل نشان داده شده است.

اتم های فلز در سطح انرژی بیرونی حاوی تعداد کمی الکترون ظرفیت هستند. از آنجایی که انرژی یونیزاسیون اتم‌های فلز کم است، الکترون‌های ظرفیت ضعیف در این اتم‌ها حفظ می‌شوند. در نتیجه، یون های دارای بار مثبت و الکترون های آزاد در شبکه کریستالی فلزات ظاهر می شوند. در این حالت، کاتیون های فلزی در گره های شبکه کریستالی قرار دارند و الکترون ها آزادانه در میدان مراکز مثبت حرکت می کنند و به اصطلاح "گاز الکترون" را تشکیل می دهند.

وجود یک الکترون با بار منفی بین دو کاتیون باعث برهمکنش هر کاتیون با این الکترون می شود.

بنابراین، پیوند فلزی پیوند بین یون‌های مثبت در کریستال‌های فلزی است که از طریق جذب الکترون‌هایی که آزادانه در سراسر کریستال حرکت می‌کنند اتفاق می‌افتد.

از آنجایی که الکترون های ظرفیت در یک فلز به طور مساوی در سراسر کریستال توزیع شده اند، یک پیوند فلزی، مانند یک پیوند یونی، یک پیوند غیر جهت دار است. برخلاف پیوند کووالانسی، پیوند فلزی یک پیوند غیراشباع است. یک پیوند فلزی نیز از نظر استحکام با پیوند کووالانسی متفاوت است. انرژی اتصال فلزیتقریباً سه تا چهار برابر کمتر از انرژی یک پیوند کووالانسی.

به دلیل تحرک زیاد گاز الکترون، فلزات با رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا مشخص می شوند.

کریستال فلزی بسیار ساده به نظر می رسد، اما در واقع ساختار الکترونیکی آن پیچیده تر از بلورهای نمک یونی است. در لایه الکترونی خارجی عناصر فلزی الکترون کافی برای تشکیل یک پیوند کووالانسی یا یونی کامل "هشت" وجود ندارد. بنابراین، در حالت گازی، بیشتر فلزات از مولکول های تک اتمی (یعنی اتم های مجزا که به یکدیگر متصل نیستند) تشکیل شده اند. یک مثال معمولی بخار جیوه است. بنابراین، پیوند فلزی بین اتم های فلز تنها در حالت مایع و جامد تجمع رخ می دهد.

پیوند فلزی را می‌توان به صورت زیر توصیف کرد: برخی از اتم‌های فلز در کریستال حاصل، الکترون‌های ظرفیت خود را به فضای بین اتم‌ها می‌دهند (برای سدیم این ... 3s1 است)، و به یون تبدیل می‌شوند. از آنجایی که تمام اتم های فلز در یک کریستال یکسان هستند، هر کدام شانس مساوی برای از دست دادن یک الکترون ظرفیت دارند.

به عبارت دیگر، انتقال الکترون ها بین اتم های فلز خنثی و یونیزه شده بدون مصرف انرژی صورت می گیرد. برخی از الکترون ها همیشه به شکل "گاز الکترون" در فضای بین اتم ها قرار می گیرند.

این الکترون‌های آزاد، اولاً اتم‌های فلز را در فاصله تعادلی معینی از یکدیگر نگه می‌دارند.

ثانیاً، آنها به فلزات یک «درخشش فلزی» مشخص می‌دهند (الکترون‌های آزاد می‌توانند با کوانتوم‌های نور تعامل کنند).

ثالثاً، الکترون‌های آزاد فلزات را با رسانایی الکتریکی خوب تأمین می‌کنند. رسانایی حرارتی بالای فلزات نیز با حضور الکترون های آزاد در فضای بین اتمی توضیح داده می شود - آنها به راحتی به تغییرات انرژی "پاسخ" می دهند و به انتقال سریع آن در کریستال کمک می کنند.

یک مدل ساده از ساختار الکترونیکی یک کریستال فلزی.

******** با استفاده از فلز سدیم به عنوان مثال، اجازه دهید ماهیت پیوند فلزی را از نقطه نظر ایده هایی در مورد اوربیتال های اتمی در نظر بگیریم. اتم سدیم، مانند بسیاری از فلزات دیگر، فاقد الکترون ظرفیت است، اما اوربیتال‌های ظرفیت آزاد وجود دارد. تک الکترون 3s سدیم می تواند به هر یک از اوربیتال های مجاور آزاد و نزدیک به انرژی حرکت کند. وقتی اتم‌های یک کریستال به هم نزدیک‌تر می‌شوند، اوربیتال‌های بیرونی اتم‌های همسایه روی هم قرار می‌گیرند و به الکترون‌های رها شده اجازه می‌دهند آزادانه در سراسر کریستال حرکت کنند.

با این حال، "گاز الکترون" آنقدرها هم که به نظر می رسد بی نظم نیست. الکترون‌های آزاد در یک کریستال فلزی در اوربیتال‌های همپوشانی قرار دارند و تا حدی مشترک هستند و چیزی شبیه پیوندهای کووالانسی را تشکیل می‌دهند. سدیم، پتاسیم، روبیدیم و سایر عناصر فلزی s به سادگی الکترون های مشترک کمی دارند، بنابراین بلورهای آنها شکننده و قابل ذوب هستند. با افزایش تعداد الکترون های ظرفیت، استحکام فلزات به طور کلی افزایش می یابد.

بنابراین، پیوندهای فلزی تمایل دارند توسط عناصری تشکیل شوند که اتم‌های آن‌ها الکترون‌های ظرفیت کمی در لایه بیرونی خود دارند. این الکترون های ظرفیتی که پیوند فلزی را انجام می دهند، به قدری مشترک هستند که می توانند در سراسر کریستال فلز حرکت کنند و رسانایی الکتریکی بالایی برای فلز فراهم کنند.

کریستال NaCl جریان الکتریسیته را هدایت نمی کند زیرا در فضای بین یون ها الکترون آزاد وجود ندارد. تمام الکترون های اهدایی اتم های سدیم توسط یون های کلر محکم نگه داشته می شوند. این یکی از تفاوت های مهم بین کریستال های یونی و فلزی است.

آنچه اکنون در مورد پیوند فلزی می دانید به توضیح انعطاف پذیری (شکل پذیری) بالای بیشتر فلزات کمک می کند. فلز را می توان به صورت یک ورق نازک صاف کرد و به صورت سیم کشید. واقعیت این است که لایه‌های جداگانه اتم‌ها در یک کریستال فلزی می‌توانند نسبتاً به راحتی یکدیگر را بلغزند: «گاز الکترونی» متحرک دائماً حرکت یون‌های مثبت منفرد را نرم می‌کند و آنها را از یکدیگر محافظت می‌کند.

البته با نمک خوراکی نمی توان چنین کاری کرد، البته نمک نیز یک ماده کریستالی است. در کریستال های یونی، الکترون های ظرفیت به طور محکم به هسته اتم متصل هستند. جابجایی یک لایه از یون ها نسبت به لایه دیگر، یون های دارای بار مشابه را به هم نزدیک می کند و باعث دافعه قوی بین آنها می شود و در نتیجه کریستال از بین می رود (NaCl ماده ای شکننده است).

جابجایی لایه های یک کریستال یونی باعث پیدایش نیروهای دافعه بزرگ بین یون های مشابه و تخریب کریستال می شود.

ناوبری

• حل مسائل ترکیبی بر اساس ویژگی های کمی یک ماده
• حل مسئله. قانون ثبات ترکیب مواد. محاسبات با استفاده از مفاهیم "جرم مولی" و "مقدار شیمیایی" یک ماده

یون ها اتم هایی هستند که الکترون ها را از دست داده یا به دست آورده اند و در نتیجه مقداری بار دارند. برای شروع، می خواهم به شما یادآوری کنم که دو نوع یون وجود دارد: کاتیون ها(بار مثبت هسته از تعداد الکترون های حامل بار منفی بیشتر است) و آنیون ها(بار هسته از تعداد الکترون ها کمتر است). یک پیوند یونی در نتیجه برهمکنش دو یون با بارهای مخالف تشکیل می شود.

پیوند یونی و کووالانسی

این نوع پیوند یک مورد خاص از پیوند کووالانسی است. تفاوت الکترونگاتیوی در این مورد به قدری زیاد است (بیش از 1.7 به گفته پاولینگ) که جفت الکترون های مشترک تا حدی جابجا نمی شوند، بلکه به طور کامل به اتمی با الکترونگاتیوی بالاتر منتقل می شوند. بنابراین، تشکیل پیوند یونی در نتیجه وقوع برهمکنش های الکترواستاتیک قوی بین یون ها است. درک این نکته مهم است که چیزی به نام پیوند یونی 100٪ وجود ندارد. این اصطلاح در صورتی استفاده می شود که «ویژگی های یونی» بارزتر باشند (یعنی جفت الکترون به شدت به سمت یک اتم الکترونگاتیو تر سوگیری داشته باشد).

مکانیسم پیوند یونی

اتم هایی که دارای ظرفیت تقریباً کامل یا تقریباً خالی هستند (خارجی) به راحتی وارد آن می شوند واکنش های شیمیایی. هر چه اوربیتال های خالی در لایه ظرفیت کمتر باشد، احتمال اینکه اتم الکترون از خارج دریافت کند بیشتر است. و برعکس - هر چه تعداد الکترون های کمتری در لایه بیرونی وجود داشته باشد، احتمال اینکه اتم یک الکترون را رها کند بیشتر است.

الکترونگاتیوی

این توانایی یک اتم برای جذب الکترون ها به سمت خود است، بنابراین اتم هایی با بیشترین لایه ظرفیتی پر شده الکترونگاتیو هستند.

یک فلز معمولی تمایل بیشتری به رها کردن الکترون ها دارد، در حالی که یک غیرفلز معمولی تمایل بیشتری برای از بین بردن آنها دارد. بنابراین، پیوندهای یونی اغلب توسط فلزات و غیر فلزات تشکیل می شود. به طور جداگانه، نوع دیگری از پیوند یونی را باید ذکر کرد - مولکولی. ویژگی آن این است که نقش یون ها اتم های منفرد نیست، بلکه کل مولکول ها هستند.

نمودار پیوند یونی

شکل به صورت شماتیک تشکیل سدیم فلوراید را نشان می دهد. سدیم الکترونگاتیوی کمی دارد و تنها یک الکترون در لایه ظرفیتی خود (VO) دارد. فلوئور دارای الکترونگاتیوی قابل توجهی بالاتر است و فقط به یک الکترون برای پر کردن BO نیاز دارد. یک الکترون از سدیم BO به فلوئور BO می رود و اوربیتال را پر می کند، در نتیجه هر دو اتم بارهای مخالف به دست می آورند و به یکدیگر جذب می شوند.

خواص پیوند یونی

پیوند یونی بسیار قوی است - از بین بردن آن با کمک انرژی حرارتی بسیار دشوار است و بنابراین مواد دارای پیوند یونی دارای دمای بالاذوب شدن. در عین حال، شعاع برهمکنش یون ها بسیار کم است، که تعیین می کند شکنندگیاتصالات مشابه مهمترین خواص آن عبارتند از عدم جهت گیری و اشباع. عدم جهت گیری از فرم ناشی می شود میدان الکتریکییونی که یک کره است و قادر به برهم کنش با کاتیون ها یا آنیون ها در همه جهات است. در این حالت، میدان های دو یون به طور کامل جبران نمی شود، در نتیجه آنها مجبور می شوند یون های اضافی را به خود جذب کنند و یک کریستال تشکیل دهند - این پدیده ای است به نام غیر اشباع. در بلورهای یونی هیچ مولکولی وجود ندارد و کاتیون ها و آنیون های مجزا توسط یون های زیادی با علامت مخالف احاطه شده اند که تعداد آنها عمدتاً به موقعیت اتم ها در فضا بستگی دارد.

کریستال های نمک طعام (NaCl) نمونه ای معمولی از پیوند یونی هستند.

نظریه پیوند شیمیایی جایگاه بسیار مهمی در شیمی مدرن دارد. توضیح می دهد که چرا اتم ها برای تشکیل ذرات شیمیایی ترکیب می شوند و امکان مقایسه پایداری این ذرات را فراهم می کند. با استفاده از تئوری پیوند شیمیایی می توان ترکیب و ساختار ترکیبات مختلف را پیش بینی کرد. مفهوم شکستن برخی پیوندهای شیمیایی و تشکیل برخی دیگر زیربنای ایده های مدرن در مورد تبدیل مواد در طی واکنش های شیمیایی است.

پیوند شیمیایی- این برهمکنش اتم ها است که پایداری یک ذره شیمیایی یا کریستال را به عنوان یک کل تعیین می کند. یک پیوند شیمیایی به دلیل برهمکنش الکترواستاتیکی بین ذرات باردار ایجاد می شود: کاتیون ها و آنیون ها، هسته ها و الکترون ها. وقتی اتم ها به هم می رسند، نیروهای جاذبه بین هسته یک اتم و الکترون های اتم دیگر و همچنین نیروهای دافعه بین هسته ها و بین الکترون ها شروع به عمل می کنند. در فاصله ای، این نیروها یکدیگر را متعادل می کنند و یک ذره شیمیایی پایدار تشکیل می شود.

هنگامی که یک پیوند شیمیایی تشکیل می شود، توزیع مجدد قابل توجهی از چگالی الکترون اتم ها در ترکیب می تواند در مقایسه با اتم های آزاد رخ دهد. در حالت شدید، این منجر به تشکیل ذرات باردار - یون ها (از یونانی "یون" - رفتن) می شود.

برهم کنش یونی

اگر یک اتم یک یا چند الکترون را از دست بدهد، به یک یون مثبت تبدیل می شود - یک کاتیون (ترجمه شده از یونانی - "پایین می رود" به این ترتیب کاتیون های هیدروژن H +، لیتیوم Li +، باریم Ba 2 + تشکیل می شوند با به دست آوردن الکترون، اتم ها به یون های منفی تبدیل می شوند - آنیون ها (از واژه یونانی "آنیون" - که به سمت بالا می رود، نمونه هایی از آنیون ها عبارتند از یون فلوراید F-، یون سولفید S2-).

کاتیون ها و آنیون ها قادر به جذب یکدیگر هستند. در این حالت پیوند شیمیایی ایجاد می شود و ترکیبات شیمیایی تشکیل می شود. این نوع پیوند شیمیایی را پیوند یونی می نامند:

پیوند یونییک پیوند شیمیایی است که از جاذبه الکترواستاتیکی بین کاتیون ها و آنیون ها ایجاد می شود.

مکانیسم تشکیل پیوند یونی را می توان با استفاده از مثال واکنش بین سدیم و کلر در نظر گرفت. یک اتم فلز قلیایی به راحتی یک الکترون از دست می دهد، در حالی که اتم هالوژن یک الکترون به دست می آورد. در نتیجه یک کاتیون سدیم و یک یون کلرید تشکیل می شود. آنها به دلیل جاذبه الکترواستاتیکی بین آنها یک اتصال ایجاد می کنند.

برهمکنش بین کاتیون ها و آنیون ها به جهت بستگی ندارد، بنابراین گفته می شود که پیوند یونی غیر جهت دار است. هر کاتیون می تواند هر تعداد آنیون را جذب کند و بالعکس. به همین دلیل است که پیوند یونی اشباع نشده است. تعداد برهمکنش‌های بین یون‌ها در حالت جامد فقط به اندازه بلور محدود می‌شود. بنابراین، کل کریستال را باید "مولکول" یک ترکیب یونی در نظر گرفت.

برای ایجاد پیوند یونی، لازم است که مجموع مقادیر انرژی یونیزاسیون باشد E من(برای تشکیل کاتیون) و میل ترکیبی الکترون الف ه(برای تشکیل آنیون) باید از نظر انرژی مطلوب باشد. این امر تشکیل پیوندهای یونی بین اتم ها را محدود می کند فلزات فعال(عناصر گروه های IA و IIA، برخی از عناصر گروه IIIA و برخی عناصر انتقالی) و نافلزات فعال (هالوژن ها، کالکوژن ها، نیتروژن).

عملا هیچ پیوند یونی ایده آلی وجود ندارد. حتی در ترکیباتی که معمولاً به عنوان یونی طبقه بندی می شوند، انتقال کامل الکترون از یک اتم به اتم دیگر وجود ندارد. الکترون ها تا حدی در استفاده رایج باقی می مانند. بنابراین پیوند موجود در لیتیوم فلوراید 80 درصد یونی و 20 درصد کووالانسی است. بنابراین صحبت در مورد آن صحیح تر است درجه یونیته(قطبیت) پیوند شیمیایی کووالانسی. اعتقاد بر این است که با اختلاف الکترونگاتیوی عناصر 2.1، پیوند 50٪ یونی است. اگر اختلاف بیشتر باشد، ترکیب را می توان یونی در نظر گرفت.

مدل یونی پیوند شیمیایی به طور گسترده برای توصیف خواص بسیاری از مواد، در درجه اول ترکیبات فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با غیر فلزات استفاده می شود. این به دلیل سادگی توصیف چنین ترکیباتی است: اعتقاد بر این است که آنها از کره های باردار تراکم ناپذیر مربوط به کاتیون ها و آنیون ها ساخته شده اند. در این حالت، یون ها تمایل دارند خود را به گونه ای مرتب کنند که نیروهای جاذبه بین آنها حداکثر و نیروهای دافعه حداقل باشند.

شعاع یونی

یک مدل الکترواستاتیک ساده پیوند یونی از این مفهوم استفاده می کند شعاع یونی. مجموع شعاع های کاتیون و آنیون همسایه باید برابر با فاصله بین هسته ای مربوطه باشد:

r 0 = r + + r −

با این حال، مشخص نیست که مرز بین کاتیون و آنیون کجا باید ترسیم شود. امروزه مشخص شده است که پیوند یونی خالص وجود ندارد، زیرا همیشه مقداری همپوشانی ابرهای الکترونی وجود دارد. برای محاسبه شعاع یون‌ها، از روش‌های تحقیقی استفاده می‌شود که امکان تعیین چگالی الکترون بین دو اتم را فراهم می‌کند. فاصله بین هسته ای در نقطه ای تقسیم می شود که چگالی الکترون حداقل است.

اندازه یک یون به عوامل زیادی بستگی دارد. با بار ثابت یون، با افزایش عدد اتمی (و در نتیجه، بار هسته) شعاع یونی کاهش می یابد. این به ویژه در سری لانتانید قابل توجه است، که در آن شعاع یونی به طور یکنواخت از 117 بعد از ظهر برای (La 3+) به 100 pm (Lu 3+) با عدد هماهنگی 6 تغییر می کند. این اثر نامیده می شود. فشرده سازی لانتانید.

در گروه های عناصر، شعاع یونی به طور کلی با افزایش عدد اتمی افزایش می یابد. با این حال برای د-عناصر دوره های چهارم و پنجم، به دلیل فشرده سازی لانتانید، حتی کاهش شعاع یونی ممکن است رخ دهد (به عنوان مثال، از ساعت 73 بعد از ظهر برای Zr 4+ تا ساعت 72 بعد از ظهر برای Hf 4+ با عدد هماهنگی 4).

در طول دوره، کاهش قابل توجهی در شعاع یونی وجود دارد که با افزایش جذب الکترون ها به هسته همراه با افزایش همزمان بار هسته و بار خود یون همراه است: 116 بعد از ظهر برای Na +، 86 بعد از ظهر برای Mg 2+، 68 pm برای Al 3+ (هماهنگی شماره 6). به همین دلیل، افزایش بار یون منجر به کاهش شعاع یونی برای یک عنصر می شود: Fe 2 + 77 pm، Fe 3 + 63 pm، Fe 6 + 39 pm (هماهنگی شماره 4).

مقایسه شعاع‌های یونی فقط زمانی انجام می‌شود که عدد هماهنگی یکسان باشد، زیرا بر اندازه یون به دلیل نیروهای دافعه بین یون‌های متقابل تأثیر می‌گذارد. این به وضوح در مثال یون Ag + دیده می شود. شعاع یونی آن برای شماره های هماهنگی 2، 4 و 6 به ترتیب 81، 114 و 129 بعد از ظهر است.

ساختار یک ترکیب یونی ایده‌آل که با حداکثر جاذبه بین یون‌های غیرمشابه و حداقل دافعه یون‌های مشابه تعیین می‌شود، تا حد زیادی با نسبت شعاع یونی کاتیون‌ها و آنیون‌ها تعیین می‌شود. این را می توان با ساختارهای هندسی ساده نشان داد.

نگرش r + : r −	شماره هماهنگی کاتیون	محیط زیست	مثال
0,225−0,414	4	چهار وجهی	ZnS
0,414−0,732	6	هشت وجهی	NaCl
0,732−1,000	8	مکعبی	CsCl
>1,000	12	دوازده وجهی	در بلورهای یونی یافت نمی شود

انرژی پیوند یونی

انرژی اتصال برای یک ترکیب یونی انرژی است که در طول تشکیل آن از یون های گازی متضاد با فاصله بی نهایت از یکدیگر آزاد می شود. تنها در نظر گرفتن نیروهای الکترواستاتیک مربوط به حدود 90٪ از کل انرژی برهمکنش است که شامل سهم نیروهای غیرالکترواستاتیکی نیز می شود (به عنوان مثال، دفع پوسته های الکترونی).

هنگامی که یک پیوند یونی بین دو یون آزاد رخ می دهد، انرژی جذب آنها مشخص می شود قانون کولمب:

E(قید) = q + q− / (4π r ε),

کجا q+ و q- بارهای یونهای برهم کنش، rفاصله بین آنها، ε ثابت دی الکتریک محیط است.

از آنجایی که یکی از بارها منفی است، مقدار انرژی نیز منفی خواهد بود.

طبق قانون کولن، در فواصل بینهایت کوچک انرژی جاذبه باید بی نهایت بزرگ شود. با این حال، این اتفاق نمی افتد، زیرا یون ها بارهای نقطه ای نیستند. هنگامی که یون ها به یکدیگر نزدیک می شوند، به دلیل برهم کنش ابرهای الکترونی، نیروهای دافعه بین آنها ایجاد می شود. انرژی دافعه یون ها با معادله Born توصیف می شود:

E(غیر.) = در / r n,

کجا در- مقداری ثابت، nمی تواند مقادیری از 5 تا 12 (بسته به اندازه یون ها) بگیرد. انرژی کل با مجموع انرژی های جاذبه و دافعه تعیین می شود:

E = E(adv.) + E(غیر.)

مقدار آن از یک حداقل عبور می کند. مختصات نقطه حداقل با فاصله تعادل مطابقت دارد r 0 و انرژی تعادلی برهمکنش بین یون ها E 0:

E 0 = q + q − (1 - 1 / n) / (4π r 0 ε)

در یک شبکه کریستالی همیشه وجود دارد تعداد بزرگترفعل و انفعالات بین یک جفت یون. این عدد در درجه اول توسط نوع شبکه کریستالی تعیین می شود. برای در نظر گرفتن تمام فعل و انفعالات (تضعیف شدن با افزایش فاصله)، به اصطلاح ثابت مادلونگ در بیان انرژی شبکه کریستالی یونی وارد می شود. الف:

E(قید) = الف q + q− / (4π r ε)

مقدار ثابت مادلونگ فقط با هندسه شبکه تعیین می شود و به شعاع و بار یون ها بستگی ندارد. به عنوان مثال، برای کلرید سدیم 1.74756 است.

تمام ترکیبات شیمیایی از طریق تشکیل یک پیوند شیمیایی تشکیل می شوند. و بسته به نوع ذرات اتصال، چندین نوع متمایز می شود. ابتدایی ترین- اینها قطبی کووالانسی، غیرقطبی کووالانسی، فلزی و یونی هستند. امروز ما صحبت خواهیم کرددر مورد یونی

یون چیست؟

بین دو اتم تشکیل می شود - به عنوان یک قاعده، به شرطی که تفاوت الکترونگاتیوی بین آنها بسیار زیاد باشد. الکترونگاتیوی اتم ها و یون ها با استفاده از مقیاس پاولینگ ارزیابی می شود.

بنابراین برای در نظر گرفتن درست ویژگی های ترکیبات، مفهوم یونیته مطرح شد. این ویژگی به شما امکان می دهد تا تعیین کنید که چند درصد از یک پیوند خاص یونی است.

ترکیبی که بیشترین یونیته را دارد، سیزیم فلوراید است که در آن تقریباً 97 درصد است. پیوند یونی مشخصه استبرای مواد تشکیل شده توسط اتم های فلزی واقع در گروه اول و دوم جدول D.I. مندلیف و اتم های غیر فلزات در گروه ششم و هفتم همان جدول قرار دارند.

توجه کن!شایان ذکر است که هیچ ترکیبی وجود ندارد که در آن رابطه منحصراً یونی باشد. برای باز کردن در حال حاضرعناصر، دستیابی به چنین اختلاف زیادی در الکترونگاتیوی برای به دست آوردن یک ترکیب یونی 100٪ غیرممکن است. بنابراین، تعریف پیوند یونی کاملاً صحیح نیست، زیرا ترکیبات با برهمکنش یونی جزئی در واقع در نظر گرفته می شوند.

چرا این اصطلاح مطرح شد در صورتی که چنین پدیده ای واقعا وجود ندارد؟ واقعیت این است که این رویکرد به توضیح بسیاری از تفاوت های ظریف در خواص نمک ها، اکسیدها و سایر مواد کمک کرد. به عنوان مثال، چرا آنها در آب بسیار محلول هستند و چرا آنها حل می شوند محلول ها قادر به هدایت جریان الکتریکی هستند. این را نمی توان از منظر دیگری توضیح داد.

مکانیسم آموزش

تشکیل پیوند یونی تنها در صورت تحقق دو شرط امکان پذیر است: اگر اتم فلز شرکت کننده در واکنش بتواند به راحتی الکترون های واقع در آخرین سطح انرژی را رها کند و اتم غیر فلزی قادر به پذیرش این الکترون ها باشد. اتم های فلزات ذاتاً عوامل کاهنده هستند، یعنی قادرند اهدای الکترون.

این به این دلیل است که آخرین سطح انرژی در یک فلز می تواند از یک تا سه الکترون باشد و شعاع خود ذره بسیار بزرگ است. بنابراین، نیروی برهمکنش بین هسته و الکترون ها در آخرین سطح آنقدر کم است که می توانند به راحتی آن را ترک کنند. وضعیت در مورد نافلزات کاملاً متفاوت است. آنها دارند شعاع کوچکو تعداد الکترون های خود در آخرین سطح می تواند از سه تا هفت باشد.

و تعامل بین آنها و هسته مثبت بسیار قوی است، اما هر اتمی تلاش می کند تا سطح انرژی را تکمیل کند، بنابراین اتم های غیر فلزی برای به دست آوردن الکترون های از دست رفته تلاش می کنند.

و هنگامی که دو اتم - یک فلز و یک غیرفلز - به هم می رسند، الکترون ها از اتم فلز به اتم غیرفلز منتقل می شوند و یک برهمکنش شیمیایی تشکیل می شود.

نمودار اتصال

شکل به وضوح نشان می دهد که چگونه تشکیل یک پیوند یونی دقیقاً رخ می دهد. در ابتدا، اتم های سدیم و کلر با بار خنثی وجود دارد.

اولی یک الکترون در آخرین سطح انرژی دارد، دومی هفت. سپس یک الکترون از سدیم به کلر منتقل می شود و دو یون تشکیل می شود. که با یکدیگر ترکیب می شوند و یک ماده تشکیل می دهند. یون چیست؟ یون ذره ای باردار است که در آن تعداد پروتون ها با تعداد الکترون ها برابر نیست.

تفاوت با نوع کووالانسی

یک پیوند یونی به دلیل ویژگی آن هیچ جهتی ندارد. این به این دلیل است که میدان الکتریکی یون یک کره است و با رعایت قانون مشابه در یک جهت کاهش یا افزایش می یابد.

بر خلاف کووالانسی که به دلیل همپوشانی ابرهای الکترونی ایجاد می شود.

تفاوت دوم این است که پیوند کووالانسیاشباع شده. به چه معناست؟ تعداد ابرهای الکترونیکی که می توانند در تعامل شرکت کنند محدود است.

و در یونی به دلیل کروی بودن میدان الکتریکی می تواند با تعداد نامحدودی یون ارتباط برقرار کند. یعنی می توان گفت که اشباع نشده است.

همچنین می تواند با چندین ویژگی دیگر مشخص شود:

1. انرژی ارتباطی است مشخصه کمیو بستگی به مقدار انرژی دارد که برای شکستن آن باید صرف شود. این به دو معیار بستگی دارد - طول پیوند و بار یونیدر آموزش آن دخیل است. هرچه پیوند قوی‌تر باشد، طول آن کوتاه‌تر و بارهای یون‌های تشکیل‌دهنده آن بیشتر می‌شود.
2. طول - این معیار قبلاً در پاراگراف قبلی ذکر شده است. این تنها به شعاع ذرات درگیر در تشکیل ترکیب بستگی دارد. شعاع اتم ها به صورت زیر تغییر می کند: در طول دوره با افزایش عدد اتمی کاهش می یابد و در گروه افزایش می یابد.

مواد دارای پیوند یونی

برای تعداد قابل توجهی معمول است ترکیبات شیمیایی. این بخش بزرگی از تمام نمک ها، از جمله نمک خوراکی معروف است. در همه اتصالاتی که مستقیم وجود دارد رخ می دهد تماس بین فلز و غیر فلز. در اینجا چند نمونه از مواد با پیوند یونی آورده شده است:

• کلریدهای سدیم و پتاسیم،
• فلوراید سزیم،
• اکسید منیزیم

همچنین می تواند خود را در ترکیبات پیچیده نشان دهد.

به عنوان مثال سولفات منیزیم.

فرمول ماده ای با پیوندهای یونی و کووالانسی به شرح زیر است:

یک پیوند یونی بین یون های اکسیژن و منیزیم تشکیل می شود، اما گوگرد از طریق یک پیوند کووالانسی قطبی به یکدیگر متصل می شود.

که از آن می توان نتیجه گرفت که پیوندهای یونی مشخصه ترکیبات شیمیایی پیچیده هستند.

پیوند یونی در شیمی چیست؟

انواع پیوندهای شیمیایی - یونی، کووالانسی، فلزی

نتیجه گیری

خواص به طور مستقیم به دستگاه بستگی دارد شبکه کریستالی. بنابراین، تمام ترکیبات دارای پیوند یونی در آب و سایر حلال های قطبی بسیار محلول، رسانا و دی الکتریک هستند. در عین حال، آنها کاملاً نسوز و شکننده هستند. از خواص این مواد اغلب در طراحی وسایل الکتریکی استفاده می شود.