Si verifica un legame chimico ionico tra. Il significato della frase “legame ionico”. Ioni. Legame ionico

Legame ionico

Teoria del legame chimico prende il posto più importante nella chimica moderna. Lei spiega perché gli atomi si combinano per formare particelle chimiche, E consente di confrontare la stabilità di queste particelle. Utilizzando teoria del legame chimico, Potere prevedere la composizione e la struttura di vari composti. Concetto di la rottura di alcuni legami chimici e la formazione di altri è alla base delle idee moderne sulle trasformazioni delle sostanze durante le reazioni chimiche.

Legame chimico- Questo interazione degli atomi, determinare la stabilità di una particella chimica O cristallo nel suo complesso. Legame chimico si forma a causa di interazione elettrostatica fra particelle cariche: cationi e anioni, nuclei ed elettroni. Quando gli atomi si uniscono, iniziano ad agire forze attrattive tra il nucleo di un atomo e gli elettroni di un altro, così come forze repulsive tra i nuclei e tra gli elettroni. SU una certa distanza questi le forze si bilanciano tra loro, E si forma una particella chimica stabile.

Quando si forma un legame chimico, può verificarsi una significativa ridistribuzione della densità elettronica degli atomi nel composto rispetto agli atomi liberi.

In casi estremi, ciò porta alla formazione di particelle cariche - ioni (dal greco "ione" - andando).

1 Interazione ionica

Se atomo ne perde uno O diversi elettroni, poi lui si trasforma in uno ione positivo - catione(tradotto dal greco - “ andando giù"). Ecco come si formano cationi idrogeno H+, litio Li+, bario Ba 2+. Acquisendo elettroni, gli atomi si trasformano in ioni negativi - anioni(dal greco "anione" - salendo). Esempi di anioni sono ione fluoruro F−, ione solfuro S 2−.

Cationi E anioni capace attrarsi a vicenda. In questo caso, sorge legame chimico, E si formano composti chimici. Questo tipo di legame chimico si chiama legame ionico:

2 Definizione di legame ionico

Legame ionicoè un legame chimico educato a causa di attrazione elettrostatica tra cationi E anioni.

Il meccanismo di formazione del legame ionico può essere considerato usando l'esempio di una reazione tra sodio e cloro. Un atomo di metallo alcalino perde facilmente un elettrone, UN atomo di alogeno: acquisisce. Di conseguenza c'è catione sodio E ione cloruro. Formano una connessione a causa di attrazione elettrostatica tra di loro.

Interazione tra cationi E anioni indipendente dalla direzione, Ecco perché sui legami ionici parlano come non direzionale. Ogni catione Forse attrarre un numero qualsiasi di anioni, E viceversa. Ecco perché legame ionicoÈ insaturo. Numero le interazioni tra gli ioni allo stato solido sono limitate solo dalla dimensione del cristallo. Ecco perché " molecola" il composto ionico dovrebbe essere considerato l'intero cristallo.

Per l'occorrenza legame ionico necessario, A somma dei valori dell'energia di ionizzazione E io(per formare un catione) E affinità elettronica A e(per la formazione di anioni) deve essere energeticamente favorevole. Questo limita la formazione di legami ionici da parte di atomi di metalli attivi(elementi dei gruppi IA e IIA, alcuni elementi del gruppo IIIA e alcuni elementi di transizione) e non metalli attivi(alogeni, calcogeni, azoto).

Non esiste praticamente alcun legame ionico ideale. Anche in quei composti che solitamente vengono classificati come ionico, Non esiste un trasferimento completo di elettroni da un atomo all'altro; gli elettroni rimangono parzialmente di uso comune. Sì, la connessione lo è fluoruro di litio dell'80% ionico, e del 20% - covalente. Pertanto, è più corretto parlarne grado di ionicità (polarità) legame chimico covalente. Si ritiene che con la differenza elettronegatività elementi 2.1 comunicazioneè acceso 50% ionico. A maggiore differenza composto può essere considerato ionico.

Il modello ionico del legame chimico è ampiamente utilizzato per descrivere le proprietà di molte sostanze., innanzitutto, le connessioni alcalino E metalli alcalino terrosi con non metalli. Ciò è dovuto semplicità di descrizione di tali connessioni: si ritiene che sia stato costruito da sfere cariche incomprimibili, rispondendo cationi e anioni. In questo caso gli ioni tendono a disporsi in modo tale che le forze attrattive tra loro siano massime e le forze repulsive siano minime.

Legame ionico- un forte legame chimico formato tra atomi con grande differenza (>1,7 sulla scala Pauling) di elettronegatività, con quale la coppia di elettroni condivisa viene completamente trasferita all'atomo con elettronegatività maggiore. Questa è l'attrazione degli ioni come corpi con carica opposta. Un esempio è il composto CsF, in cui il “grado di ionicità” è del 97%.

Legame ionico- caso estremo polarizzazione del legame polare covalente. Formato tra tipici metalli e non metalli. In questo caso, gli elettroni nel metallo passare completamente al non metallo. Si formano ioni.

Se si forma un legame chimico tra atomi che hanno differenza di elettronegatività molto grande (EO > 1,7 secondo Pauling), allora la coppia elettronica totale è completamente si sposta verso un atomo con maggiore EO. Il risultato di ciò è la formazione di un composto ioni con carica opposta:

Tra gli ioni formati si forma attrazione elettrostatica che è chiamato legame ionico. O meglio, questo sguardo conveniente. In pratica legame ionico tra gli atomi dentro nella sua forma pura non si realizza da nessuna parte o quasi, di solito in realtà la connessione c'è parzialmente ionico, e di natura parzialmente covalente. Allo stesso tempo comunicazione ioni molecolari complessi può spesso essere considerato puramente ionico. Le differenze più importanti tra i legami ionici e altri tipi di legami chimici sono mancanza di direzione e saturazione. Questo è il motivo per cui i cristalli formati a causa di legami ionici gravitano verso vari impaccamenti densi degli ioni corrispondenti.

3 Raggi ionici

Nel semplice modello elettrostatico del legame ionico viene utilizzato il concetto raggi ionici. La somma dei raggi del catione e dell'anione vicini deve essere uguale alla corrispondente distanza internucleare:

R 0 = R + + R −

Allo stesso tempo rimane poco chiaro dove spendere confine tra catione e anione. Oggi è noto, che non esiste un legame puramente ionico, come sempre c'è una certa sovrapposizione di nubi di elettroni. Per i calcoli dei raggi ionici utilizzano metodi di ricerca, Quale consentono di determinare la densità elettronica tra due atomi. La distanza internucleare viene divisa in questo punto, Dove la densità elettronica è minima.

Le dimensioni degli ioni dipendono da molti fattori. A carica costante dello ione al crescere del numero atomico(E conseguentemente, carica del nucleo) il raggio ionico diminuisce. Ciò è particolarmente evidente nella serie dei lantanidi, Dove i raggi ionici variano monotonicamente da 117 pm per (La 3+) a 100 pm (Lu 3+) con un numero di coordinazione 6. Questo effetto si chiama compressione dei lantanidi.

IN gruppi di elementi i raggi ionici generalmente aumentano con l'aumentare del numero atomico. Tuttavia Per D-elementi del quarto e quinto periodo dovuti alla compressione dei lantanidi può verificarsi anche una diminuzione del raggio ionico(ad esempio dalle 19:00 per Zr 4+ alle 19:00 per Hf 4+ con numero di coordinazione 4).

Durante il periodo si nota una notevole diminuzione del raggio ionico relativo a maggiore attrazione degli elettroni al nucleo con contemporaneo aumento della carica del nucleo e della carica dello ione stesso: 116:00 per Na+, 86:00 per Mg 2+, 68:00 per Al 3+ (coordinazione numero 6). Per la stessa ragione un aumento della carica di uno ione provoca una diminuzione del raggio ionico di un elemento: Fe 2+ 19:00, Fe 3+ 18:00, Fe 6+ 39:00 (coordinazione numero 4).

Confronto raggi ionici Potere effettuare solo con lo stesso numero di coordinamento, perché il influenza la dimensione dello ione a causa delle forze repulsive tra i controioni. Questo è chiaramente visibile nell'esempio Ione Ag+; il suo raggio ionico è 81, 114 e 129 pm Per numeri di coordinazione 2, 4 e 6, rispettivamente.

Struttura composto ionico ideale, condizionato massima attrazione tra ioni diversi e minima repulsione tra ioni simili, in molti modi determinato dal rapporto dei raggi ionici di cationi e anioni. Questo può essere mostrato semplici costruzioni geometriche.

4 Energia del legame ionico

Comunicazioni energetiche E per composto ionico- Questo energia, il quale è in liberato durante la sua formazione da controioni gassosi infinitamente distanti tra loro. Considerando solo le forze elettrostatiche corrisponde a circa il 90% dell'energia totale di interazione, Quale comprende anche il contributo di forze non elettrostatiche(Per esempio, Repulsione del guscio elettronico).

Gli elettroni di un atomo possono trasferirsi completamente a un altro. Questa ridistribuzione delle cariche porta alla formazione di ioni con carica positiva e negativa (cationi e anioni). Tra loro nasce un tipo speciale di interazione: un legame ionico. Consideriamo più in dettaglio il metodo della sua formazione, la struttura e le proprietà delle sostanze.

Elettronegatività

Gli atomi differiscono nell'elettronegatività (EO) - la capacità di attrarre elettroni dai gusci di valenza di altre particelle. Per la determinazione quantitativa viene utilizzata la scala dell'elettronegatività relativa (valore adimensionale) proposta da L. Polling. La capacità di attrarre gli elettroni dagli atomi di fluoro è più pronunciata rispetto ad altri elementi; il suo EO è 4. Nella scala Pauling, il fluoro è immediatamente seguito da ossigeno, azoto e cloro. I valori EO dell'idrogeno e di altri tipici non metalli sono uguali o vicini a 2. La maggior parte dei metalli ha un'elettronegatività compresa tra 0,7 (Fr) e 1,7. Esiste una dipendenza della ionicità del legame dalla differenza nell'EO degli elementi chimici. Più è grande, maggiore è la probabilità che si verifichi un legame ionico. Questo tipo di interazione è più comune quando la differenza è EO = 1,7 e superiore. Se il valore è inferiore, i composti sono covalenti polari.

Energia ionizzata

Per rimuovere gli elettroni esterni debolmente legati al nucleo è necessaria l'energia di ionizzazione (IE). L'unità di variazione di questa quantità fisica è 1 elettronvolt. Esistono modelli di cambiamenti nell'EI nelle righe e nelle colonne della tavola periodica, a seconda dell'aumento della carica del nucleo. Nei periodi da sinistra a destra, l'energia di ionizzazione aumenta e acquisisce i valori maggiori per i non metalli. Nei gruppi diminuisce dall'alto verso il basso. Il motivo principale è l'aumento del raggio dell'atomo e della distanza dal nucleo agli elettroni esterni, che si staccano facilmente. Appare una particella carica positivamente: il catione corrispondente. Il valore di EI può essere utilizzato per determinare se si verifica un legame ionico. Le proprietà dipendono anche dall'energia di ionizzazione. Ad esempio, i metalli alcalini e alcalino terrosi hanno valori EI bassi. Hanno proprietà riparatrici (metalliche) pronunciate. I gas inerti sono chimicamente inattivi, a causa della loro elevata energia di ionizzazione.

Affinità elettronica

Nelle interazioni chimiche, gli atomi possono aggiungere elettroni per formare una particella negativa - un anione; il processo è accompagnato dal rilascio di energia. La grandezza fisica corrispondente è l'affinità elettronica. L'unità di misura è la stessa dell'energia di ionizzazione (1 elettronvolt). Ma i suoi valori esatti non sono noti per tutti gli elementi. Gli alogeni hanno la più alta affinità elettronica. Al livello esterno degli atomi degli elementi ci sono 7 elettroni, ne manca solo uno per raggiungere l'ottetto. L'affinità elettronica degli alogeni è elevata e hanno forti proprietà ossidanti (non metalliche).

Interazioni degli atomi durante la formazione dei legami ionici

Gli atomi che hanno un livello esterno incompleto si trovano in uno stato energetico instabile. Il desiderio di ottenere una configurazione elettronica stabile è la ragione principale che porta alla formazione di composti chimici. Il processo è solitamente accompagnato dal rilascio di energia e può portare alla formazione di molecole e cristalli che differiscono per struttura e proprietà. I metalli forti e i non metalli differiscono significativamente tra loro in una serie di indicatori (EO, EI e affinità elettronica). Un tipo di interazione più adatto a loro è un legame chimico ionico, in cui si muove l'orbitale molecolare unificante (coppia di elettroni condivisi). Si ritiene che quando i metalli formano ioni, trasferiscono completamente gli elettroni ai non metalli. La forza del legame risultante dipende dal lavoro necessario per distruggere le molecole che compongono 1 mole della sostanza in esame. Questa quantità fisica è nota come energia legante. Per i composti ionici i suoi valori vanno da diverse decine a centinaia di kJ/mol.

Formazione di ioni

Un atomo che dona i suoi elettroni durante le interazioni chimiche diventa un catione (+). La particella ricevente è un anione (-). Per scoprire come si comporteranno gli atomi e se appariranno gli ioni, è necessario stabilire la differenza tra i loro OE. Il modo più semplice per eseguire tali calcoli è per un composto di due elementi, ad esempio il cloruro di sodio.

Il sodio ha solo 11 elettroni, la configurazione dello strato esterno è 3s 1. Per completarlo, è più facile per un atomo cedere 1 elettrone che aggiungerne 7. La struttura dello strato di valenza del cloro è descritta dalla formula 3s 2 3p 5. In totale, un atomo ha 17 elettroni, 7 esterni. Manca una cosa per ottenere un ottetto e una struttura stabile. Le proprietà chimiche confermano l'ipotesi che l'atomo di sodio dona e il cloro accetta elettroni. Appaiono gli ioni: positivi (catione sodio) e negativi (anione cloro).

Legame ionico

Perdendo un elettrone, il sodio acquisisce una carica positiva e un guscio stabile dell'atomo di gas inerte neon (1s 2 2s 2 2p 6). Come risultato dell'interazione con il sodio, il cloro riceve un'ulteriore carica negativa e lo ione ripete la struttura del guscio atomico del gas nobile argon (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6). La carica elettrica acquisita è chiamata carica dello ione. Ad esempio, Na +, Ca 2+, Cl -, F -. Gli ioni possono contenere atomi di diversi elementi: NH 4 +, SO 4 2-. All'interno di tali ioni complessi, le particelle sono legate da un meccanismo donatore-accettore o covalente. L'attrazione elettrostatica si verifica tra particelle caricate diversamente. Il suo valore nel caso di un legame ionico è proporzionale alle cariche, e con l'aumentare della distanza tra gli atomi si indebolisce. Caratteristiche caratteristiche di un legame ionico:

• i metalli forti reagiscono con elementi non metallici attivi;
• gli elettroni si spostano da un atomo all'altro;
• gli ioni risultanti hanno una configurazione stabile dei gusci esterni;
• L'attrazione elettrostatica si verifica tra particelle con carica opposta.

Reticoli cristallini di composti ionici

Nelle reazioni chimiche, i metalli dei gruppi 1, 2 e 3 della tavola periodica perdono solitamente elettroni. Si formano ioni positivi a carica singola, doppia e tripla. I non metalli dei gruppi 6 e 7 solitamente acquistano elettroni (ad eccezione delle reazioni con fluoro). Appaiono ioni negativi a carica singola e doppia. I costi energetici per questi processi, di norma, vengono compensati durante la creazione di un cristallo della sostanza. I composti ionici sono solitamente allo stato solido, formando strutture costituite da cationi e anioni con carica opposta. Queste particelle si attraggono e formano reticoli cristallini giganti in cui gli ioni positivi sono circondati da particelle negative (e viceversa). La carica totale di una sostanza è zero, perché il numero totale di protoni è bilanciato dal numero di elettroni di tutti gli atomi.

Proprietà delle sostanze con legami ionici

Le sostanze cristalline ioniche sono caratterizzate da punti di ebollizione e di fusione elevati. In genere questi collegamenti sono resistenti al calore. La seguente caratteristica può essere rilevata quando tali sostanze vengono sciolte in un solvente polare (acqua). I cristalli si distruggono facilmente e gli ioni passano nella soluzione, che è elettricamente conduttiva. Anche i composti ionici vengono distrutti quando vengono sciolti. Appaiono particelle cariche libere, il che significa che la massa fusa conduce corrente elettrica. Le sostanze con legami ionici sono elettroliti, conduttori del secondo tipo.

Gli ossidi e gli alogenuri dei metalli alcalini e alcalino terrosi appartengono al gruppo dei composti ionici. Quasi tutti sono ampiamente utilizzati nella scienza, nella tecnologia, nella produzione chimica e nella metallurgia.

Definizione 1

Quando si studia la struttura di una molecola, sorge la domanda sulla natura delle forze che forniscono la connessione tra gli atomi neutri che compongono la loro composizione. Vengono chiamati tali legami tra gli atomi in una molecola legame chimico.

Classificato in due tipologie:

• legame ionico;
• legame covalente.

La divisione viene effettuata in modo condizionato. La maggior parte dei casi è caratterizzata dalla presenza di caratteristiche di entrambi i tipi di connessioni. Con l'aiuto di studi dettagliati ed empirici è possibile stabilire caso per caso la relazione tra grado di “ionicità” e “covalenza” del legame.

È stato dimostrato sperimentalmente che quando una molecola viene separata nei suoi atomi costituenti è necessario compiere del lavoro. Cioè, il processo della sua formazione deve essere accompagnato dal rilascio di energia. Se due atomi di idrogeno sono allo stato libero, hanno un'energia maggiore rispetto agli atomi di una molecola biatomica di H 2. L'energia rilasciata durante la formazione di una molecola è considerata una misura del lavoro delle forze di interazione che legano gli atomi in una molecola.

Gli esperimenti dimostrano che la comparsa della forza di interazione tra gli atomi è dovuta alla presenza di elettroni di valenza esterni degli atomi. Ciò è possibile a causa di un brusco cambiamento nello spettro ottico degli atomi che entrano nelle reazioni chimiche mantenendo lo spettro caratteristico dei raggi X degli atomi senza modifiche, indipendentemente dal tipo di composto chimico.

Gli spettri ottici delle linee sono determinati dallo stato degli elettroni di valenza e la radiazione X caratteristica viene determinata utilizzando gli elettroni interni, cioè il loro stato. Le interazioni chimiche coinvolgono gli elettroni, che richiedono poca energia per subire i loro cambiamenti. Gli elettroni esterni hanno questa funzione. Hanno un potenziale di ionizzazione inferiore rispetto agli elettroni nei gusci interni.

Legame ionico

Esiste un presupposto sulla natura del legame chimico degli atomi in una molecola, che indica l'emergere di una forza di interazione di natura elettrica tra gli elettroni esterni. Per soddisfare la condizione di stabilità, devono esserci due atomi interagenti con cariche elettriche di segno opposto. Il tipo di legame chimico può essere realizzato solo in alcune molecole. Dopo l'interazione degli atomi, avviene la trasformazione in ioni. Quando un atomo acquista uno o più elettroni diventa uno ione negativo e l'altro diventa uno ione positivo.

Il legame ionico è simile alle forze di attrazione tra cariche di segno opposto. Se lo ione sodio caricato positivamente N a + viene attratto dal cloro negativo C l -, otteniamo la molecola N a Cl, che funge da chiaro esempio di legame ionico.

Definizione 2

In altre parole, legame chimico ionico chiamato eteropolare (etero - diverso). Molecole e tipi di legami ionici - molecole ioniche o eteropolari.

Il concetto di legame ionico non consente di spiegare le strutture e le strutture di tutte le molecole. È inspiegabile il motivo per cui una molecola può essere formata da due atomi di idrogeno neutri. A causa della identica polarità degli atomi di idrogeno non è accettabile supporre che uno degli ioni idrogeno abbia una carica positiva e l'altro una carica negativa. Il legame che hanno gli atomi di idrogeno (tra atomi neutri) può essere spiegato solo dalla meccanica quantistica. Si chiama covalente.

Legame covalente

Definizione 3

Viene chiamato un legame chimico tra atomi neutri in una molecola covalente o omeopolare(homeo – stesso). Le molecole formate sulla base di tali legami sono chiamate omeopolari o atomiche.

La fisica classica considera solo un tipo di interazione in cui è possibile la sua implementazione tra due corpi: la gravità. Poiché le forze gravitazionali sono piccole, è difficile spiegare l'interazione in una molecola omeopolare con il loro aiuto.

Un legame covalente consiste nell'essere in un certo stato quantico con una certa energia di un elettrone nel campo del nucleo. Se le distanze tra i nuclei cambiano, ciò si riflette nello stato di movimento dell'elettrone e nella sua energia. Man mano che l'energia tra gli atomi diminuisce, aumenta l'energia di interazione tra i nuclei, il che si spiega con l'azione della forza repulsiva.

Quando l'energia dell'elettrone diminuisce con la diminuzione della distanza più velocemente di quanto aumenta l'energia dell'interazione nucleare, il valore dell'energia totale del sistema diminuisce in modo significativo. Ciò si spiega con l'azione di forze che tendono a ridurre la distanza tra i nuclei in un sistema composto da due nuclei repulsivi e un elettrone. Le forze attrattive esistenti sono coinvolte nella generazione di un legame covalente della molecola. La loro comparsa è provocata dalla presenza di un elettrone comune, in altre parole, dallo scambio elettronico tra atomi, il che significa che sono considerate forze quantistiche di scambio.

Un legame covalente ha la proprietà della saturazione. La sua manifestazione è possibile a causa di una certa valenza degli atomi. Cioè, un atomo di idrogeno si lega con un atomo di idrogeno e un atomo di carbonio con non più di 4 atomi di idrogeno.

La connessione proposta contribuisce alla spiegazione della valenza degli atomi, che non è stata accettata nella fisica classica. Cioè, la proprietà di saturazione non è chiara dal punto di vista della natura dell'interazione nella teoria classica.

La presenza di legami covalenti si osserva non solo nelle molecole biatomiche. È caratteristico di un gran numero di molecole di composti inorganici (ossido nitrico, ammoniaca e altri).

Nel 1927, W. Heitler e F. London crearono una teoria quantitativa del legame covalente per la molecola di idrogeno, basata sui concetti della meccanica quantistica. Hanno dimostrato la ragione che provoca la comparsa di una molecola con un legame covalente, vale a dire: l'effetto quantomeccanico associato all'indistinguibilità degli elettroni. La determinazione dell'energia di legame principale avviene in presenza di un integrale di scambio. Lo spin totale di una molecola di idrogeno è 0, non ha momento orbitale, quindi è diamagnetico. Quando due atomi di idrogeno si scontrano, una molecola appare solo quando gli spin di entrambi gli elettroni sono paralleli. Questa condizione favorisce la repulsione degli atomi di idrogeno, il che significa che le molecole non saranno in grado di formarsi.

Quando due atomi identici sono collegati da un legame covalente, la disposizione della nube elettronica nella molecola diventa simmetrica. Se un legame unisce due atomi diversi, la nuvola di elettroni si trova in posizione asimmetrica. Una molecola con una distribuzione asimmetrica della nuvola elettronica ha un momento dipolare permanente, cioè è polare. Quando la probabilità di localizzare un elettrone vicino a uno degli atomi prevale sulla probabilità di trovare questo elettrone vicino a un altro atomo, avviene una transizione da un legame covalente a un legame ionico. Non esiste un confine chiaro tra legami ionici e covalenti.

Esempio 1

Descrivi lo stato in cui due atomi si avvicinano.

Soluzione

Quando la distanza tra due atomi si riduce possono verificarsi diverse situazioni:

1. Una coppia di elettroni o più vengono condivisi tra gli atomi in questione. Possono spostarsi tra gli atomi e rimanervi più a lungo che in altri luoghi. Questo aiuta a creare una forza di attrazione.
2. L'emergere di legami ionici. Uno o più elettroni sono in grado di spostarsi verso un altro. Cioè, ciò contribuisce alla comparsa di ioni positivi e negativi attraenti.
3. Non si verifica alcuna connessione. Le strutture elettroniche dei due atomi si sovrappongono e formano un unico sistema. Secondo il principio di Pauli, un tale sistema è inappropriato solo per lo stato quantistico di due elettroni. Quando si passa a un livello energetico più elevato, il sistema riceverà più energia, il che porterà all'instabilità. Anche se il principio di Pauli è soddisfatto, senza aumentare l'energia del sistema, si formerà una forza di repulsione elettrica tra i diversi elettroni. Secondo la condizione l'influenza sulla creazione della connessione è molto minore rispetto al principio di Pauli.

Esempio 2

L'energia di ionizzazione (potenziale di ionizzazione) di un elemento è l'energia necessaria per rimuovere un elettrone da un atomo. È considerato una misura della forza di legame dell'elettrone o degli elettroni esterni. Spiega perché l'energia di ionizzazione del litio è maggiore di quella del sodio, il sodio è maggiore del potassio e il potassio è maggiore del rubidio.

Soluzione

Tutti gli elementi di cui sopra hanno le proprietà dei metalli alcalini e appartengono al primo gruppo. Ciascuno dei loro atomi ha un singolo elettrone esterno nello stato s. Gli elettroni dei gusci interni schermano parzialmente l'elettrone esterno dalla carica nucleare + Z q e come conseguenza della carica effettiva che trattiene l'elettrone esterno pari a + q e . Per rimuovere un elettrone esterno da un tale atomo, è necessario lavorare per trasformare gli atomi di metalli alcalini in ioni positivi. Maggiore è la dimensione dell'atomo, maggiore è la distanza dell'elettrone di valenza dal nucleo, ma minore è la sua forza di attrazione. Questo gruppo è caratterizzato da una diminuzione dell'energia di ionizzazione dall'alto verso il basso secondo la tavola periodica di Mendeleev. La sua crescita in ciascun periodo da sinistra a destra è associata ad un aumento di carica e ad un numero costante di elettroni schermanti interni.

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Il primo di questi è la formazione di legami ionici. (Il secondo è l'istruzione, di cui parleremo più avanti). Quando si forma un legame ionico, un atomo metallico perde elettroni e un atomo non metallico acquista elettroni. Ad esempio, considera la struttura elettronica degli atomi di sodio e cloro:

Na 1s 2 2s 2 2 pagina 6 3 S 1 - un elettrone nel livello esterno

Cl 1s 2 2s 2 2 pagina 6 3 S 2 3 pagina 5— sette elettroni nel livello esterno

Se un atomo di sodio dona il suo unico elettrone 3s a un atomo di cloro, la regola dell'ottetto sarà soddisfatta per entrambi gli atomi. L'atomo di cloro avrà otto elettroni sul terzo strato esterno, e anche l'atomo di sodio avrà otto elettroni sul secondo strato, che ora è diventato lo strato esterno:

Na+1s2 2 secondi 2 2 P 6

Cl - 1s 2 2s 2 2 pagina 6 3 S 2 3 pagina 6 - otto elettroni nel livello esterno

In questo caso, il nucleo dell'atomo di sodio contiene ancora 11 protoni, ma il numero totale di elettroni è sceso a 10. Ciò significa che il numero di particelle cariche positivamente è uno in più rispetto al numero di particelle cariche negativamente, quindi la carica totale dell’atomo di sodio è +1.
L’atomo di cloro ora contiene 17 protoni e 18 elettroni e ha una carica pari a -1.
Vengono chiamati atomi carichi formati dalla perdita o dall'acquisto di uno o più elettroni ioni. Vengono chiamati ioni caricati positivamente cationi, e vengono chiamati quelli caricati negativamente anioni.
Cationi e anioni, aventi carica opposta, sono attratti tra loro da forze elettrostatiche. Questa attrazione di ioni di carica opposta è chiamata legame ionico. . Si verifica in composti formati da un metallo e uno o più non metalli. I seguenti composti soddisfano questo criterio e sono di natura ionica: MgCl 2, Fel 2, CuF, Na 2 0, Na 2 S0 4, Zn(C 2 H 3 0 2) 2.

C'è un altro modo per rappresentare i composti ionici:

In queste formule, i punti mostrano solo gli elettroni situati nei gusci esterni ( elettroni di valenza ). Tali formule sono chiamate formule di Lewis in onore del chimico americano G. N. Lewis, uno dei fondatori (insieme a L. Pauling) della teoria del legame chimico.

Il trasferimento di elettroni da un atomo metallico a un atomo non metallico e la formazione di ioni sono possibili poiché i non metalli hanno un'elevata elettronegatività e i metalli hanno una bassa elettronegatività.

A causa della forte attrazione reciproca degli ioni, i composti ionici sono per lo più solidi e hanno un punto di fusione piuttosto elevato.

Un legame ionico si forma mediante il trasferimento di elettroni da un atomo metallico a un atomo non metallico. Gli ioni risultanti sono attratti tra loro da forze elettrostatiche.

Legame ionico

Teoria del legame chimico prende il posto più importante nella chimica moderna. Lei spiega perché gli atomi si combinano per formare particelle chimiche, E consente di confrontare la stabilità di queste particelle. Utilizzando teoria del legame chimico, Potere prevedere la composizione e la struttura di vari composti. Concetto di la rottura di alcuni legami chimici e la formazione di altri è alla base delle idee moderne sulle trasformazioni delle sostanze durante le reazioni chimiche .

Legame chimico- Questo interazione degli atomi , determinare la stabilità di una particella chimica O cristallo nel suo complesso . Legame chimico si forma a causa di interazione elettrostatica fra particelle cariche : cationi e anioni, nuclei ed elettroni. Quando gli atomi si uniscono, iniziano ad agire forze attrattive tra il nucleo di un atomo e gli elettroni di un altro, così come forze repulsive tra i nuclei e tra gli elettroni. SU una certa distanza questi le forze si bilanciano tra loro, E si forma una particella chimica stabile .

Quando si forma un legame chimico, può verificarsi una significativa ridistribuzione della densità elettronica degli atomi nel composto rispetto agli atomi liberi.

In casi estremi, ciò porta alla formazione di particelle cariche - ioni (dal greco "ione" - andando).

1 Interazione ionica

Se atomo ne perde uno O diversi elettroni, poi lui si trasforma in uno ione positivo - catione(tradotto dal greco - “ andando giù"). Ecco come si formano cationi idrogeno H+, litio Li+, bario Ba 2+ . Acquisendo elettroni, gli atomi si trasformano in ioni negativi - anioni(dal greco "anione" - salendo). Esempi di anioni sono ione fluoruro F−, ione solfuro S 2− .

Cationi E anioni capace attrarsi a vicenda. In questo caso, sorge legame chimico, E si formano composti chimici. Questo tipo di legame chimico si chiama legame ionico :

2 Definizione di legame ionico

Legame ionicoè un legame chimico educato a causa di attrazione elettrostatica tra cationi E anioni .

Il meccanismo di formazione del legame ionico può essere considerato usando l'esempio di una reazione tra sodio e cloro . Un atomo di metallo alcalino perde facilmente un elettrone, UN atomo di alogeno: acquisisce. Di conseguenza c'è catione sodio E ione cloruro. Formano una connessione a causa di attrazione elettrostatica tra di loro .

Interazione tra cationi E anioni indipendente dalla direzione, Ecco perché sui legami ionici parlano come non direzionale. Ogni catione Forse attrarre un numero qualsiasi di anioni, E viceversa. Ecco perché legame ionicoÈ insaturo. Numero le interazioni tra gli ioni allo stato solido sono limitate solo dalla dimensione del cristallo. Ecco perché " molecola " il composto ionico dovrebbe essere considerato l'intero cristallo .

Per l'occorrenza legame ionico necessario, A somma dei valori dell'energia di ionizzazione E io(per formare un catione) E affinità elettronica A e(per la formazione di anioni) deve essere energeticamente favorevole. Questo limita la formazione di legami ionici da parte di atomi di metalli attivi(elementi dei gruppi IA e IIA, alcuni elementi del gruppo IIIA e alcuni elementi di transizione) e non metalli attivi(alogeni, calcogeni, azoto).

Non esiste praticamente alcun legame ionico ideale. Anche in quei composti che solitamente vengono classificati come ionico , Non esiste un trasferimento completo di elettroni da un atomo all'altro ; gli elettroni rimangono parzialmente di uso comune. Sì, la connessione lo è fluoruro di litio dell'80% ionico, e del 20% - covalente. Pertanto, è più corretto parlarne grado di ionicità (polarità) legame chimico covalente. Si ritiene che con la differenza elettronegatività elementi 2.1 comunicazioneè acceso 50% ionico. A maggiore differenza composto può essere considerato ionico .

Il modello ionico del legame chimico è ampiamente utilizzato per descrivere le proprietà di molte sostanze., innanzitutto, le connessioni alcalino E metalli alcalino terrosi con non metalli. Ciò è dovuto semplicità di descrizione di tali connessioni: si ritiene che sia stato costruito da sfere cariche incomprimibili, rispondendo cationi e anioni. In questo caso gli ioni tendono a disporsi in modo tale che le forze attrattive tra loro siano massime e le forze repulsive siano minime.

Legame ionico- un forte legame chimico formato tra atomi con grande differenza (>1,7 sulla scala Pauling) di elettronegatività, con quale la coppia di elettroni condivisa viene completamente trasferita all'atomo con elettronegatività maggiore. Questa è l'attrazione degli ioni come corpi con carica opposta. Un esempio è il composto CsF, in cui il “grado di ionicità” è del 97%.

Legame ionico- caso estremo polarizzazione del legame polare covalente. Formato tra tipici metalli e non metalli. In questo caso, gli elettroni nel metallo passare completamente al non metallo . Si formano ioni.

Se si forma un legame chimico tra atomi che hanno differenza di elettronegatività molto grande (EO > 1,7 secondo Pauling), allora la coppia elettronica totale è completamente si sposta verso un atomo con maggiore EO. Il risultato di ciò è la formazione di un composto ioni con carica opposta :

Tra gli ioni formati si forma attrazione elettrostatica che è chiamato legame ionico. O meglio, questo sguardo conveniente. In pratica legame ionico tra gli atomi dentro nella sua forma pura non si realizza da nessuna parte o quasi, di solito in realtà la connessione c'è parzialmente ionico , e di natura parzialmente covalente. Allo stesso tempo comunicazione ioni molecolari complessi può spesso essere considerato puramente ionico. Le differenze più importanti tra i legami ionici e altri tipi di legami chimici sono mancanza di direzione e saturazione. Questo è il motivo per cui i cristalli formati a causa di legami ionici gravitano verso vari impaccamenti densi degli ioni corrispondenti.

3 Raggi ionici

Nel semplice modello elettrostatico del legame ionico viene utilizzato il concetto raggi ionici . La somma dei raggi del catione e dell'anione vicini deve essere uguale alla corrispondente distanza internucleare :

R 0 = R + + R −

Allo stesso tempo rimane poco chiaro dove spendere confine tra catione e anione . Oggi è noto , che non esiste un legame puramente ionico, come sempre c'è una certa sovrapposizione di nubi di elettroni. Per i calcoli dei raggi ionici utilizzano metodi di ricerca, Quale consentono di determinare la densità elettronica tra due atomi . La distanza internucleare viene divisa in questo punto, Dove la densità elettronica è minima .

Le dimensioni degli ioni dipendono da molti fattori. A carica costante dello ione al crescere del numero atomico(E conseguentemente, carica del nucleo) il raggio ionico diminuisce. Ciò è particolarmente evidente nella serie dei lantanidi, Dove i raggi ionici variano monotonicamente da 117 pm per (La 3+) a 100 pm (Lu 3+) con un numero di coordinazione 6. Questo effetto si chiama compressione dei lantanidi .

IN gruppi di elementi i raggi ionici generalmente aumentano con l'aumentare del numero atomico. Tuttavia Per D-elementi del quarto e quinto periodo dovuti alla compressione dei lantanidi può verificarsi anche una diminuzione del raggio ionico(ad esempio dalle 19:00 per Zr 4+ alle 19:00 per Hf 4+ con numero di coordinazione 4).

Durante il periodo si nota una notevole diminuzione del raggio ionico relativo a maggiore attrazione degli elettroni al nucleo con contemporaneo aumento della carica del nucleo e della carica dello ione stesso: 116:00 per Na+, 86:00 per Mg 2+, 68:00 per Al 3+ (coordinazione numero 6). Per la stessa ragione un aumento della carica di uno ione provoca una diminuzione del raggio ionico di un elemento: Fe 2+ 19:00, Fe 3+ 18:00, Fe 6+ 39:00 (coordinazione numero 4).

Confronto raggi ionici Potere effettuare solo con lo stesso numero di coordinamento, perché il influenza la dimensione dello ione a causa delle forze repulsive tra i controioni. Questo è chiaramente visibile nell'esempio Ione Ag+; il suo raggio ionico è 81, 114 e 129 pm Per numeri di coordinazione 2, 4 e 6 , rispettivamente .

Struttura composto ionico ideale, condizionato massima attrazione tra ioni diversi e minima repulsione tra ioni simili, in molti modi determinato dal rapporto dei raggi ionici di cationi e anioni. Questo può essere mostrato semplici costruzioni geometriche.

4 Energia del legame ionico

Comunicazioni energetiche E per composto ionico- Questo energia, il quale è in liberato durante la sua formazione da controioni gassosi infinitamente distanti tra loro . Considerando solo le forze elettrostatiche corrisponde a circa il 90% dell'energia totale di interazione, Quale comprende anche il contributo di forze non elettrostatiche(Per esempio, Repulsione del guscio elettronico).

Ogni volta legame ionico tra due energia ionica libera loro l'attrazione è determinata dalla legge di Coulomb :

E(avv.) = q+ q− / (4π r ε),

Dove q+ E q-- spese ioni interagenti , R - distanza tra loro , ε - costante dielettrica del mezzo .

Da una delle accuse negativo, Quello valore dell'energia Anche sarà negativo .

Secondo La legge di Coulomb, SU A distanze infinitamente piccole, l’energia di attrazione deve diventare infinitamente grande. Tuttavia, questo non sta succedendo, Perché gli ioni non sono cariche puntiformi. A avvicinando gli ioni Tra di loro sorgono forze repulsive, condizionato interazione delle nuvole elettroniche . Energia di repulsione ionica descritto Equazione nata :

E(ott.) = B/rn,

Dove IN - qualche costante , N Forse assumere valori da 5 a 12(dipende da dimensione degli ioni). L'energia totale è determinata dalla somma delle energie di attrazione e repulsione :

E = E(dentro) + E(fuori)

Il suo significato passa attraverso minimo . Le coordinate del punto minimo corrispondono alla distanza di equilibrio R 0 E energia di equilibrio dell’interazione tra ioni E 0 :

E0 = q+ q− (1 - 1 / n) / (4π r0 ε)

IN reticolo cristallino Sempre ci sono più interazioni, Come tra una coppia di ioni. Questo numero determinato principalmente dal tipo di reticolo cristallino. Per tenendo conto di tutte le interazioni(indebolimento con l'aumentare della distanza) nell'espressione per energia ionica reticolo cristallino introdurre la cosiddetta costante Madelunga A :

E(avv.) = A q+ q− / (4π r ε)

Valore costante Madelunga solo determinato geometria reticolare e non dipende dal raggio e dalla carica degli ioni. Ad esempio, per cloruro di sodioè uguale 1,74756 .

5 polarizzazione ionica

Oltretutto grandezza della carica E raggio caratteristica importante e lei sono suoi proprietà di polarizzazione. Consideriamo questo problema un po' più in dettaglio. U particelle non polari (atomi, ioni, molecole) i centri di gravità delle cariche positive e negative coincidono. In un campo elettrico, i gusci di elettroni si spostano nella direzione di una piastra caricata positivamente e nuclei - verso la piastra caricata negativamente. A causa di deformazione delle particelle sorge in esso dipolo, lei diventa polare .

Fonte Il campo elettrico nei composti con legame di tipo ionico sono gli ioni stessi. Pertanto, parlando di proprietà di polarizzazione dello ione , necessario distinguere effetto polarizzante di un dato ione E la capacità di se stesso di essere polarizzato in un campo elettrico .

Effetto polarizzante dello ione sarà quello grande, Come più del suo campo di forza, cioè di carica maggiore e raggio minore dello ione. Pertanto dentro all'interno di sottogruppi nella tavola periodica degli elementi l'effetto polarizzante degli ioni diminuisce dall'alto verso il basso, dal momento che in sottogruppi, con una carica costante dello ione, il suo raggio aumenta dall'alto verso il basso .

Ecco perché l'effetto polarizzante degli ioni di metalli alcalini, ad esempio, aumenta dal cesio al litio e nella riga ioni alogenuro - da I a F. A periodi l'effetto polarizzante degli ioni aumenta da sinistra a destra insieme a aumento della carica ionica E diminuendone il raggio .

Polarizzabilità degli ioni, la sua capacità di le deformazioni aumentano al diminuire del campo di forze, cioè con diminuendo la quantità di carica E raggio crescente . Polarizzabilità degli anioni Generalmente più alto, Come cationi e di fila alogenuri aumenta da F a I .

SU proprietà di polarizzazione dei cationi fornisce influenza della natura del loro guscio elettronico esterno . Proprietà di polarizzazione dei cationi come va? attivo, e dentro senso passivo A stessa carica e i raggi vicini aumentano durante la transizione da cationi con un guscio pieno a cationi con un guscio esterno incompleto e quindi a cationi con un guscio da 18 elettroni.

Ad esempio, nella serie dei cationi Mg 2+, Ni 2+, Zn 2+ proprietà di polarizzazione si stanno intensificando. Questo modello è coerente con la variazione del raggio dello ione e della struttura del suo guscio elettronico fornita nella serie:

Per gli anioni le proprietà di polarizzazione si deteriorano in questa sequenza:

I - , Br - , Cl - , CN - , OH - , NO 3 - , F - , ClO 4 - .

Il risultato Interazione di polarizzazione degli ioniÈ deformazione dei loro gusci elettronici e, di conseguenza, riduzione delle distanze interioniche E separazione incompleta del negativo E cariche positive tra ioni.

Ad esempio, in un cristallo cloruro di sodio importo della carica su ione sodio ammonta a +0,9 e così via ione cloro - 0,9 invece di unità prevista. In una molecola KCl situata in stato di vapore, valore cariche sugli ioni potassio E il cloro è pari a 0,83 unità di carica e nella molecola cloruro di idrogeno- soltanto 0,17 unità di carica.

Polarizzazione ionica fornisce effetto notevole sulle proprietà dei composti con legami ionici , abbassandone i punti di fusione e di ebollizione , ridurre la dissociazione elettrolitica in soluzioni e fusioni, ecc. .

Composti ionici si formano quando interazione degli elementi , significativamente diverso nelle proprietà chimiche. Più elementi separati tra loro nella tavola periodica, quelli dentro il legame ionico è più pronunciato nei loro composti . Contro, in molecole, formato da atomi identici o atomi di elementi simili nelle proprietà chimiche, presentarsi altri tipi di comunicazione. Ecco perché teoria del legame ionico Esso ha uso limitato .

6 L'influenza della polarizzazione ionica sulle proprietà delle sostanze e sulle proprietà dei legami ionici e dei composti ionici

Idee su Le polarizzazioni ioniche aiutano a spiegare le differenze nelle proprietà di molte sostanze simili. Ad esempio, il confronto cloruri di sodio E potassio con cloruro d'argento mostra che quando raggi ionici vicini

polarizzabilità del catione Ag+ avendo Guscio esterno da 18 elettroni , più alto, Che cosa porta ad un aumento della forza del legame metallo-cloro E minore solubilità del cloruro d'argento in acqua .

Reciproco la polarizzazione degli ioni facilita la distruzione dei cristalli, questo porta a abbassamento del punto di fusione delle sostanze. Per questa ragione temperatura di fusione TLF (327 oС) significativamente inferiore rispetto a RbF (798 oC). Anche la temperatura di decomposizione delle sostanze diminuisce con l'aumentare della polarizzazione reciproca degli ioni. Ecco perché gli ioduri solitamente si decompongono a temperature più basse, Come altri alogenuri, UN composti del litio - meno termicamente stabile , rispetto ai composti di altri elementi alcalini .

Deformabilità dei gusci elettronici influenza anche le proprietà ottiche delle sostanze. Come la particella è più polarizzata , minore è l'energia delle transizioni elettroniche. Se la polarizzazione è bassa , l'eccitazione degli elettroni richiede energia più elevata quali risposte parte ultravioletta dello spettro. Tali sostanze sono solitamente incolore. Nel caso di forte polarizzazione degli ioni, gli elettroni vengono eccitati dall'assorbimento della radiazione elettromagnetica nella regione visibile dello spettro. Ecco perché alcune sostanze, educato ioni incolori, colorati .

Caratteristiche composti ionici servi buona solubilità in solventi polari (acqua, acidi, ecc.). Questo è dovuto a carica di parti della molecola. In cui i dipoli del solvente sono attratti dalle estremità cariche della molecola, e come risultato Moto Browniano , « vengono portati via» molecola le sostanze in parti e le circondano , non permettendoci di connetterci di nuovo. Il risultato sono ioni circondati dipoli solventi .

Quando si dissolvono tali composti, di regola, l'energia viene rilasciata, poiché l'energia totale dei legami formati lo ione solvente è maggiore dell’energia del legame anione-catione. Ci sono molte eccezioni sali dell'acido nitrico (nitrati), Quale assorbire il calore quando disciolto (le soluzioni vengono raffreddate). Quest'ultimo fatto si spiega sulla base delle leggi che considerato in chimica fisica .

7 Griglia cristallina

Composti ionici(ad esempio, cloruro di sodio NaCl) - difficile E refrattario per colpa di tra le cariche dei loro ioni(“+” e “–”) esistono potenti forze di attrazione elettrostatica .

Lo ione cloro, carico negativamente, attrae Non solo " mio " Ione Na+, ma anche altri ioni di sodio intorno a te. Questo porta a, Che cosa vicino a ciascuno degli ioni c'è più di uno ione con il segno opposto , e alcuni(Fig. 1).

Riso. 1. Struttura di cristallo sale da cucina NaCl .

In effetti, circa ogni lo ione cloro contiene 6 ioni sodio, e a proposito di ogni ione sodio - 6 ioni cloro .

Questo impaccamento ordinato di ioni viene chiamato cristallo ionico. Se isoli un file separato atomo di cloro, quindi tra atomi di sodio circostanti Già impossibile trovarne uno, Quale il cloro ha reagito. Attratti l'uno dall'altro forze elettrostatiche , gli ioni sono estremamente riluttanti a cambiare la loro posizione sotto l'influenza di forze esterne O Aumento della temperatura. Ma se la temperatura è molto alta (circa 1500°C), Quello NaCl evapora, formando molecole biatomiche. Ciò lo suggerisce forze di legame covalente non spegnersi mai completamente .

Cristalli ionici differire elevate temperature di fusione, Generalmente gap di banda significativo, Avere conduttività ionica A alte temperature E una serie di proprietà ottiche specifiche(Per esempio, trasparenza nello spettro del vicino IR). Possono essere costruiti da entrambi monoatomico, e da ioni poliatomici. Esempio cristalli ionici del primo tipo - cristalli di alogenuri alcalini E metalli alcalino terrosi ; gli anioni sono disposti secondo la legge dell’impaccamento sferico più vicino O muratura a sfere dense , i cationi occupano i vuoti corrispondenti. Maggior parte caratteristica strutture di questo tipo sono NaCl, CsCl, CaF2. Cristalli ionici del secondo tipo costruito da cationi monoatomici degli stessi metalli e frammenti anionici finiti o infiniti . Anioni finali(residui acidi) - NO3-, SO42-, СО32-, ecc. . I residui acidi possono formare catene infinite , strati O formare una struttura tridimensionale, nelle cui cavità si trovano i cationi, come, ad esempio, in strutture cristalline dei silicati. Per cristalli ionici puoi calcolare l'energia della struttura cristallina U(vedi tabella), approssimativamente uguale entalpia di sublimazione; risultati sono in buon accordo con i dati sperimentali. Secondo l'equazione Born-Maier, Per cristallo, consiste in ioni formalmente caricati singolarmente :

U = -A/R + Be-R/r - C/R6 - D/R8 + E0

(R - distanza interionica più breve , UN - Costante di Madelung , dipendente da geometria della struttura , IN E R - opzioni , descrivere la repulsione tra le particelle , C/R6 E D/R8 caratterizzare il rilevante Interazione dipolo-dipolo e dipolo-quadrupolo degli ioni , E 0 - energia di punto zero , e - carica dell'elettrone). CON Man mano che il catione diventa più grande, aumenta il contributo delle interazioni dipolo-dipolo .