§ 14. Йонний зв’язок. Йонні сполуки

Матеріал параграфа допоможе вам:

з’ясувати, як сполучаються йони один з одним;
зрозуміти будову йонних речовин;
пояснювати фізичні властивості сполук, які складаються з йонів.

Йонний зв’язок. Йонні сполуки. Існує багато речовин, які утворилися внаслідок сполучення позитивно і негативно заряджених йонів завдяки дії електростатичних сил.

Взаємодію між протилежно зарядженими йонами в речовині називають йонним зв’язком.

Катіон і аніон притягуються один до одного тим сильніше, чим більший заряд кожної частинки і чим менша відстань між ними, а в разі їх контакту — чим менші їхні радіуси. Про це свідчить один із законів фізики.

Сполуки, що складаються з йонів, називають йонними сполуками.

До речовин, які мають йонну будову, належать більшість оксидів металічних елементів, луги, сполуки лужних елементів із галогенами, Сульфуром тощо. Ці речовини містять катіони металічних елементів (наприклад, Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺). Аніонами в йонних оксидах є йони О^2-, в лугах — ОН^-, в інших йонних сполуках — Cl^-, S^2-, NO^-₃ тощо. Зауважимо, що жодна сполука двох неметалічних елементів, наприклад хлороводень HCl, вуглекислий газ СО₂, йонів не містить.

Для того щоб скласти формулу йонної сполуки, потрібно знати, якими катіоном і аніоном вона утворена, а також заряди цих частинок. Оскільки кожна речовина є електронейтральною, то в йонній сполуці сума зарядів усіх катіонів та аніонів дорівнює нулю.

ВПРАВА. Скласти хімічну формулу сполуки, яка містить йони Fe³⁺і SO^2-₄.

Розв’язання

Записуємо формули катіона й аніона з невеликим проміжком між ними: Fe³⁺ SO^2-₄. Визначаємо найменше число, яке ділиться без залишку на значення зарядів йонів, тобто найменше спільне кратне чисел 3 і 2. Це — число 6. Ділимо його на 3 і 2 й отримуємо відповідні індекси в хімічній формулі сполуки:

Fe_6/3(SO₄)_6/2⇒ Fe₂(SO₄)₃.

Формула йонної сполуки вказує на співвідношення в ній катіонів і аніонів. Наприклад, у літій оксиді Li₂O

N(Li⁺) : N(O^2-) = 2 : 1.

Будова йонних сполук. Йонні сполуки за звичайних умов є кристалічними речовинами.

Кристали кожної речовини мають характерну форму (мал. 26), яка є результатом певного й упорядкованого розміщення в речовині атомів, молекул або йонів. Якщо розглянути кухонну сіль крізь збільшувальне скло, то можна побачити кристали-кубики.

Мал. 26. Природні кристали

У кристалі йонної речовини кожен катіон перебуває в контакті з певною кількістю аніонів, а аніон — із такою самою або іншою кількістю катіонів. У будь-якому напрямку спостерігається чітке чергування катіонів та аніонів. Послідовність розміщення йонів усередині кристала залежить від складу речовини, тобто співвідношення катіонів і аніонів, а також від співвідношення радіусів цих частинок.

Існують також аморфні йонні речовини. До них, зокрема, належить скло. Воно складається з різних йонів, які безладно розміщені в речовині. Зі скла можна виготовити предмет будь-якої форми, навіть схожий на кристал, але якщо його розбити, то отримаємо безформні уламки.

Кристалічні ґратки. Внутрішню будову кристалів описують за допомогою моделі, назва якої — кристалічні ґратки. Це схема або тривимірний макет розміщення частинок у маленькому об’ємі кристала (мал. 27). За такою моделлю можна відтворити будову речовини в цілому.

Мал. 27. Кристалічні ґратки йонних сполук: а — кулестержневі моделі; б — масштабні моделі. Жовті кульки — катіони Na⁺, «цегляні» — Са²⁺; зелені — аніони Cl^-, сині — F^-

Кульки в кристалічних ґратках імітують йони, атоми, молекули. Ці частинки перебувають у так званих вузлах кристалічних ґраток. У кулестержневих моделях (мал. 27, а) кульки мають довільні розміри й не торкаються одна одної. Використовують ще й масштабні моделі (мал. 27, б). У них радіуси кульок пропорційні радіусам частинок, і найближчі кульки контактують одна з одною (частинки щільно «упаковані» в кристалі). Кулестержнева модель є наочнішою, бо маленькі кульки в ній не заважають «зазирнути» всередину кристала.

Якщо в кристалічних ґратках йонної сполуки виділити найменший фрагмент, що повторюється, то він відповідає її хімічній формулі (мал. 28).

Мал. 28. Найменший повторюваний фрагмент кристалічних ґраток кухонної солі

Фізичні властивості йонних сполук. Йони сполучаються один з одним досить міцно. Для того щоб зруйнувати йонний зв’язок, необхідно затратити чималу енергію. Цим пояснюють високі температури плавлення і кипіння більшості йонних речовин. Під час плавлення кристали руйнуються, зв’язки між йонами послаблюються, а під час кипіння йони відокремлюються один від одного й «вилітають» із рідини. Натрій хлорид NaCl плавиться за температури 801 °С (її не можна досягти, нагріваючи речовину за допомогою спиртівки чи лабораторного газового пальника), а кипить за температури 1465 °С. Температури плавлення і кипіння іншої йонної сполуки — магній оксиду MgO — ще вищі: 2825 і 3600 °С. Пояснити це можна так. Йони Mg²⁺ і О^2- мають більші заряди і менші радіуси, ніж йони Na⁺ і Cl^-відповідно, і тому міцніше сполучаються. Отже, щоб розплавити магній оксид, потрібно нагріти сполуку до вищої температури, ніж натрій хлорид.

Йонні речовини у твердому стані не проводять електричний струм, а в рідкому (розплавленому) стані є електропровідними.

Відомо, що електричний струм — це напрямлений рух заряджених частинок (електронів, йонів). У кристалі йони зафіксовані й переміщуватися не можуть. Під час плавлення кристали перетворюються на рідину, в якій йони рухаються в довільних напрямках. Унаслідок занурення в розплав електродів, з’єднаних із джерелом постійного струму (акумулятором), катіони починають рухатися до негативно зарядженого електрода, аніони — до позитивно зарядженого. Так у розплавленій йонній речовині виникає електричний струм.

ВИСНОВКИ

Йонний зв’язок — це взаємодія між протилежно зарядженими йонами в речовині.

До йонних сполук належать багато оксидів та інших сполук металічних елементів.

Більшість йонних сполук за звичайних умов перебуває у кристалічному стані. Будову кристала описують за допомогою кристалічних ґраток. Кожний йон у кристалі йонної сполуки оточений кількома протилежно зарядженими йонами.

Йонний зв’язок досить міцний. Тому йонні речовини мають високі температури плавлення і кипіння. У розплавленому стані сполуки, які складаються з йонів, проводять електричний струм.

81. Який хімічний зв'язок називають йонним?

82. Укажіть хімічні формули, які належать йонним речовинам: СО₂, O₂, Al₂O₃, NH₃, Na₂S, HCl, BaF₂, Fe. Поясніть свій вибір.

83. Напишіть формули йонів, із яких складаються: