Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко (2025)

§ 39. Модель йонного зв'язку. Йонні кристали

• Поясни на прикладі конкретного металічного елемента, як змінюється будова електронної оболонки атома після втрати / віддачі електронів. Яка заряджена частинка утворюється при цьому?

• Поясни на прикладі конкретного неметалічного елемента, як змінюється будова електронної оболонки атома після приєднання / одержання електронів. На яку заряджену частинку перетворюється при цьому атом?

• В яких агрегатних станах можуть перебувати речовини?

Опрацюй. Зрозумій. Використай

ОСОБЛИВОСТІ ЙОННОГО ЗВЯЗКУ. Неметалічні елементи утворюють хімічний зв’язок також з металічними елементами, назва якого — йонний. З відомих тобі речовин за допомогою йонного зв’язку утворені натрій хлорид (кухонна сіль), кальцій оксид (негашене вапно) та інші. Загалом сполук із йонним зв’язком існує менше, ніж з ковалентним.

Під час утворення йонного зв’язку електрони зміщуються від металічного елемента до неметалічного настільки сильно, що перший їх віддає / втрачає, а другий — приєднує. Віддаючи валентні електрони, атом металічного елемента перетворюється на позитивно заряджений йон — катіон. Приєднуючи електрони, яких не вистачало до 8-електронної конфігурації зовнішнього енергетичного рівня, атом неметалічного елемента перетворюється на негативно заряджений йон — аніон. Катіони й аніони притягуються один до одного, утворюючи йонну сполуку — речовину з йонним хімічним зв’язком.

Йонний хімічний зв’язок — це зв’язок між протилежно зарядженими йонами (катіонами й аніонами), зумовлений дією електростатичних сил.

Завдання 1. До простих чи складних речовин належать речовини з йонним зв’язком ? Відповідь обґрунтуй.

Натрій хлорид — продукт реакції металу натрію з неметалом хлором, яка супроводжується виділенням світла і тепла (колаж).

2Na + Сl₂ = 2NaCl

Продукт цієї реакції тобі добре відомий. Натрій хлорид — тверда, тугоплавка, добре розчинна у воді, солона на смак речовина, її кристали прозорі (у подрібненому стані набувають білого кольору). Натрій — легкий, м’який, сріблясто-білий метал, хлор — отруйний, важчий за повітря газ жовто-зеленого кольору. Натрій активно реагує з водою з виділенням водню, тоді як кухонну сіль додають до страв, і подібна реакція не відбувається. Як бачиш, утворена з йонів речовина має відмінні від реагентів властивості. Це зумовлено відмінностями у будові структурних частинок речовини. З’ясуємо їх.

Тобі неодноразово доводилось характеризувати будову і записувати електронні формули / конфігурації атомів Натрію і Хлору. Пригадай, що електронні оболонки обох атомів мають по три енергетичні рівні. У Натрію на зовнішньому енергетичному рівні — 1 електрон, у Хлору — 7 електронів, але лише 1 неспарений. Модель утворення йонного зв’язку між цими атомами зображено на малюнку 62.

Мал. 62. Модель утворення йонного зв’язку у натрій хлориді

Як показано на моделі, Натрій віддав атому Хлору єдиний електрон третього енергетичного рівня, і зовнішнім став другий енергетичний рівень, який вже був завершеним. У Хлору завдяки приєднанню 1 електрона третій енергетичний рівень набув завершеної 8-електронної конфігурації.

Формулюємо навчальну проблему та розв’язуємо її

Чому під час утворення йонного хімічного зв’язку валентні електрони переходять від металічного елемента до неметалічного, а не навпаки?

Розв’язання

Припускаємо, що причина криється в електронегативності елементів. Дізнатись величину електронегативності Натрію і Хлору можна в одній із таблиць електронегативності, скориставшись інтернет-ресурсами. У таблиці електронегативності хімічних елементів за шкалою Лай-нуса Полінга вказано електронегативність Натрію 0,93, а Хлору — 3,16. Слід зазначити, що йонний зв’язок утворюється між атомами із суттєвою різницею електронегативності — понад 1,7. Різниця електронегативності Хлору і Натрію більша за це число: 3,16 - 0,93 = 2,23. Ось чому валентні електрони зміщуються до атома Хлору, а не навпаки.

Речовин з абсолютним йонним зв’язком не існує. За домінування в речовині йонного зв’язку трапляється утворення спільних електронних пар. Тому йонний зв’язок розглядають як граничний випадок ковалентного полярного зв’язку.

ЩО НАЗИВАЮТЬ КРИСТАЛАМИ? Речовини, що перебувають у твердому агрегатному стані, можуть утворювати кристали.

Кристали — це тверді тіла, структурні частинки речовини в яких розміщені в певному порядку.

Кристалічні ґратки — геометрично правильне тривимірне розміщення структурних частинок (атомів, йонів, молекул) у кристалі.

Кристали, утворені завдяки йонному зв’язку, називаються йонні кристали (мал. 63). Хімічні формули йонних сполук відображають співвідношення йонів у кристалі. Так у натрій хлориду воно дорівнює 1:1, тому формульною одиницею речовини є NaCl.

Мал. 63. Приклади йонних кристалів

В йонному кристалі кожен йон оточений певною кількістю йонів з протилежним знаком (мал. 64).

Мал. 64. Кристалічні ґратки (а) і модель йонного кристала (б) натрій хлориду

Як показано на малюнку 64, розміщення йонів у кристалі не хаотичне, а впорядковане. У вузлах кристалічної ґратки перебувають катіони Натрію й аніони Хлору. Кожний катіон Натрію оточують шість аніонів Хлору і навпаки.

ВЛАСТИВОСТІ ЙОННИХ КРИСТАЛІВ. Особливістю йонних сполук є те, що сили притягання йонів діють однаково в усіх напрямках. Тому йони міцно утримуються ними у вузлах кристалічних ґраток, і речовина за кімнатної температури має твердий агрегатний стан. Якщо йонний кристал нагріти вище температури плавлення, то зв’язок слабшає і врешті-решт розривається. Речовина переходить у рідкий агрегатний стан, в якому йони стають рухливими.

Йонні кристали тугоплавкі. Так, температура плавлення натрій хлориду становить 801 °С, алюміній оксиду — 2043 °С.

У твердому стані йонні сполуки не проводять електричний струм.

Завдання 2. Застосуй знання з фізики про електричний струм і поясни, чому йонні кристали за наявності заряджених частинок не проводять електричний струм.

Багато речовин з йонним зв’язком добре розчиняються у воді. Під її впливом руйнується зв’язок між йонами, і вони стають рухливими.

НУМО ДОСЛІДЖУВАТИ

ЙОННІ КРИСТАЛИ

Завдання. Вирости йонні кристали в домашніх умовах.

Речовини та обладнання: кухонна сіль, її кристалик або намистинка чи невеличкий камінчик, гаряча вода, чиста скляна банка об’ємом 1 л, нитка, олівець або схожа на нього паличка, ложка (краще дерев’яна чи пластмасова, а не металева).

Крок 1. Наповни банку гарячою водою (приблизно 60 °С).

Крок 2. Додавай сіль порціями у банку доти, доки не побачиш, що речовина перестала розчинятись. Щоб пришвидшити розчинення, помішуй ложкою вміст банки.

Крок 3. До одного кінця нитки прив’яжи кристалик солі (намистинку, камінчик), а другий кінець намотай на олівець посередині. Розташуй олівець по діаметру отвору банки так, щоб кристалик солі (намистинка, камінчик) були занурені в розчин, не торкаючись дна і стінок банки (мал. 65). Виготовлений тобою прилад з вирощування кристалів постав на кілька днів у захищене від сонця місце.

Мал. 65. Крок 3

Крок 4. Через кілька днів проведи перше спостереження і зафіксуй його результати у зошиті чи зроби світлину.

Крок 5. Продовжуй вести спостереження упродовж кількох тижнів, доки не утворяться кристали. Щоб весь цей час кристали збільшувались, хоча б 2-3 рази обережно (щоб не зруйнувати вже утворені кристали) додай у банку солі. Фіксуй спостережувані зміни у вигляді опису (словесно), додаючи за можливості малюнки чи фотографії. Підготуйся презентувати учнівству класу результати проведеного дослідження і поясни, як було зруйновано та повернено кристалічний стан речовині натрій хлорид.

Покрокове виконання дослідження можеш переглянути за покликанням https://qr.orioncentr.com.ua/cbMFr або QR-кодом і за бажанням скоригувати виконання кроків за наведеною у підручнику інструкцією.

Крім ковалентного і йонного зв’язків існують й інші. Металічний зв’язок властивий простим речовинам — металам, електропровідність яких зумовлена його наявністю. Водневий зв’язок може утворюватись як між молекулами, наприклад води, так і в одній молекулі, наприклад білків. Серед речовин з водневим зв’язком немає газів. Ці види зв’язків вивчатимеш у наступних класах.

ХІМІЧНА СКАРБНИЦЯ

В основному тексті параграфа розглядались лише прості йони. Простими називають йони, утворені з одного атома, наприклад К⁺, Са²⁺, Сl^-, S^2-.

У природі існує чимало складних йонів. Вони утворені з кількох атомів різних хімічних елементів, наприклад аніони ОН^-, NO₃^-, SO₄^2-, РО₄^3-.

Завдання. Пригадай визначення і наведи приклади основи та солі. За потреби звернись до тексту параграфа 19 теми 2.

Основи і солі мають йонний хімічний зв’язок. Основи складаються з катіонів металічного елемента й аніонів гідроксильних груп ОН^-. Наприклад, у йонному кристалі барій гідроксиду йони співвідносяться як 1Ва²⁺: 2OH^-, тому формульна одиниця цієї речовини — Ва(ОН)₂.

Солі утворені з катіонів металічного елемента й аніонів кислотного залишку. Наприклад, йонний кристал кальцій нітрату Ca(NO₃)₂ складається з катіонів Кальцію Са²⁺ та аніонів кислотного залишку NO₃^- нітратної кислоти HNO₃. У йонному кристалі цієї солі співвідношення катіонів до аніонів дорівнює 1 : 2. У кристалі натрій сульфату Na₂SO₄катіони й аніони співвідносяться як 2 : 1. На 2 катіони Натрію Na+ припадає 1 сульфат-аніон SO₄^2- (SO₄ — кислотний залишок сульфатної кислоти H₂SO₄).

До складу морської води входять різні солі. Із середнім вмістом деяких із них знайомить таблиця 30 (с. 198). За хімічними формулами наведених солей з’ясуй і запиши йони, з яких складаються кристалічні ґратки кожної солі, та співвідношення йонів у кристалі.

Таблиця 30

Сіль	Масова частка (у %)	Запис йонів та їхнього співвідношення у йонному кристалі
NaCl	77,8
MgCl₂	10,9
MgSO₄	4,7
КСl	2,5
K₂SO₄	2,5

ТОБІ ДО СНАГИ

1. Наведи свій приклад сполуки з йонним хімічним зв’язком і змоделюй його утворення.

2. Заповни пропуски в реченні, використавши слова «більший», «менший»:

а) у катіона заряд ядра ____ за заряд електронної оболонки;
б) в аніона заряд електронної оболонки ____ за заряд ядра.

3. Що спільного і чим відрізняються атом і катіон одного хімічного елемента? Наведи приклад.

4. Що спільного і чим відрізняються атом та аніон одного хімічного елемента? Наведи приклад.

5 Класифікуй формули речовин за видом хімічного зв’язку: Na₂O, OF₂, Br₂, HF, NH₃, MgO, N₂.

6. Спрогнозуй вид хімічного зв’язку між атомами, що мають таку конфігурацію зовнішніх енергетичних рівнів: ...3s² і ...2s²2p⁵. Склади електронну формулу утвореної речовини.

7. Укажи пару йонів, що мають однакову кількість електронів: