Конспект урока: Ионная химическая связь и ионные кристаллические решётки

Вступление

Вещества имеют различное строение. Среди них только благородные газы — гелий Не, неон Ne, аргон Аr, криптон Кr, ксенон Хе и радон Rn — существуют в виде свободных (изолированных) атомов (схема 1).

Схема 1. Электронные формулы атомов благородных газов

Все другие вещества состоят из связанных атомов. Силы, которые обусловливают связь между атомами, получили название «химическая связь». Природа этих сил электростатическая. Результатом связывания атомов является образование более сложных структур — молекул, молекулярных ионов, свободных радикалов, а также ионных, атомных и металлических кристаллических решёток.

Существование этих структур обусловлено различными типами химической связи.

Учение о химической связи — важнейший вопрос современной химии. Без него невозможно объяснить причины многообразия химических веществ, механизма их образования, строения и реакционной способности.

Ионная связь

Схема 2. Схема образования ионной связи

Схема 3. Схема образования ионной связи в молекуле хлорида натрия

Процесс образования ионной связи сводится к переходу электронов от атома типичного металла (элементы I и IIА групп) к атомам типичного неметалла (элементы VIIА группы, О и N).

 

Например, при образовании хлорида натрия атом натрия отдаёт один электрон (схема 3):

${\mathrm{Na}}^0 - 1\mathrm{e} \to {\mathrm{Na}}^{+}$.

 

Атом хлора принимает этот электрон:

${\mathrm{Сl}}^0+1\mathrm{е} \to {\mathrm{Сl}}^{-}$.

 

Между ионами ${\mathrm{Na}}^{+} \mathrm{и} {\mathrm{Сl}}^{-}$ возникают силы электростатиче­ского притяжения, в результате чего образуется ионное соеди­нение — хлорид натрия:

${\mathrm{Na}}^{+}+ {\mathrm{Сl}}^{-} \to {\mathrm{Na}}^{+}{\mathrm{Сl}}^{-}$.

 

Величина заряда аниона равна числу принятых атомом неметалла электронов.

 

Ионную связь рассматривают как крайний случай ковалентной полярной связи, так как резкой границы между ионной и ковалентной связями нет.

Относительные электроотрицательности (ЭО) элементов.

Таблица 1. Значения ЭО элементов по Полингу

В шкале Полинга ЭО фтора (наиболее электроотрицательного из всех элементов) условно принята равной 3,98; на втором месте находится кислород, на третьем — хлор. Далее следуют водород и типичные неметаллы; значения их ЭО близки к 2. Активные ме­таллы имеют значения ЭО меньше, чем 1,6. Также ряд электроотрицательности используется для определения окислительных и восстановительных свойств элементов побочных подгрупп.

Шкалу Полинга можно представить в виде ряда электроотрицательностей. 

В типичных ионных соединениях, например, в галогенидах щелочных металлов, не происходит полного перехода электрона от одного атома к другому. Например, в кристалле $\mathrm{NaCl}$ эффективный отрицательный заряд атома хлора составляет около 0,9 заряда электрона (а не 1); таким же по абсолютной величине положительным зарядом обладает и атом натрия.

Решение

$\mathrm{NaF}:$ разность электроотрицательностей атомов равна

$∆\mathrm{\chi } \left(\mathrm{NaF}\right)=∆\mathrm{\chi }\left(\mathrm{F}\right) -∆\mathrm{\chi } \left(\mathrm{Na}\right) = 3,98 - 0,93 = 3,05,$ связь ионная.

$\mathrm{CF}4:$ разность электроотрицательностей равна

$∆\mathrm{\chi } \left({\mathrm{CF}}_4\right)=∆\mathrm{\chi }\left(\mathrm{C}\right) -∆\mathrm{\chi } \left(\mathrm{F}\right) = 3,98 - 2,55 = 1,43,$ связь ковалентная полярная.

Свойства ионной связи

Ионная связь в отличие от ковалентной характеризуется ненаправленностью в пространстве и ненасыщаемостью.

Однако вокруг каждого иона расположено ограниченное число противоионов. Координационное число иона не за­висит от его заряда, а определяется соотношением раз­меров ионов разного знака. Наиболее устойчивая кристаллическая структура образуется, когда катион и анион имеют близкие размеры.

За счёт ионной связи образованы:

• оксиды и галогениды металлов I и IIА групп — ${\mathrm{Na}}_2\mathrm{O}, \mathrm{BaO}, \mathrm{NaCl}, {\mathrm{Cal}}_2;$
• щёлочи — $\mathrm{KOH}, \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2;$
• соли кислородосодержащих кислот — ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4, \mathrm{Ca}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_2, {\mathrm{CuSO}}_4;$
• алкоголяты щелочных и щелочноземельных металлов (I и IIА групп) — ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{ONa}, {\mathrm{CH}}_3\mathrm{OK};$
• соли органических кислот — ${\mathrm{C}}_{17}{\mathrm{H}}_{35}\mathrm{COONa};$
• соли аминов, аминокислот — ${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{NH}}_3\mathrm{Cl}, {\mathrm{CH}}_2\left({\mathrm{NH}}_2\right)\mathrm{COONa}.$

Энергия ионной связи велика, поэтому большинство ионных соединений представляет собой кристаллические вещества с высокими температурами плавления и кипения.

Для ионных соедине­ний понятие молекул типа $\mathrm{NaCl} \mathrm{или} \mathrm{CsBr}$ теряет смысл. Каждый кристалл представляет собой одну огромную молекулу и состоит из большого числа ионов. Отдельные молекулы могут существо­вать лишь в газовой фазе при температуре выше температуры кипения. Химическая формула ионного соединения описывает состав формульной единицы вещества.

Рис. 1. Ионная кристаллическая решётка

Например, в кристаллической решётке хлорида натрия $\mathrm{NaCl}$. Каждый ион натрия ${\mathrm{Na}}^{+}$ окру­жён шестью хлорид-ионами ${\mathrm{Сl}}^{-}$, каждый хлорид-ион окружён шестью ионами натрия (рис. 1).

 

Существуют вещества, молекулы которых содержат и ионные, и ковалентные связи. К таким веществам относятся, например, щёлочи и многие соли. Так, в мо­лекулах гидроксида натрия $\mathrm{NaOH}$ и сульфата натрия ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4$ связи между атомами натрия и кислорода пред­ставляют собой ионные связи, а остальные связи (между атомами кислорода и водорода в $\mathrm{NaOH}$ и между атомами кислорода и серы в ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SО}}_4$) — ковалентные полярные.

Решение

№ 1. Большинство соединений металлов имеет ионное строе­ние. В данном перечне таких соединений два: $\mathrm{Са}{\left(\mathrm{ОН}\right)}_2 \mathrm{и} {\mathrm{КClO}}_3.$ Пер­вое состоит из ионов ${\mathrm{Са}}^{2+} \mathrm{и} {\mathrm{ОН}}^{-},$ второе — из ионов ${\mathrm{К}}^{+} \mathrm{и} {{\mathrm{ClO}}_3}^{-}.$

№ 2. Прежде всего отбросим два газообразных вещества молекулярного строения, в которых нет ионных связей, — ${\mathrm{SO}}_2 \mathrm{и} {\mathrm{NH}}_3.$ Оставшиеся соединения имеют ионное строение. Но в $\mathrm{КСl}$ нет ковалентных связей, так как он образован одноатомными ионами. В ${\mathrm{СаСO}}_3$ ковалентные связи есть в карбонат-ионе ${{\mathrm{СO}}_3}^{2-},$ а в ${\mathrm{NH}}_4\mathrm{Cl}$ — в ионе аммония ${{\mathrm{NH}}_4}^{+}.$Таким образом, условия удовлетворяют веще­ства 1 и 5.

Ответ: 1, 5.

№3. В веществах 2–4 есть катионы или анионы, состоящие из двух неметаллов: ${{\mathrm{ClO}}_3}^{-}, {{\mathrm{SO}}_4}^{2-}, {{\mathrm{NH}}_4}^{+}.$ Атомы неметаллов в этих ионах связаны между собой ковалентными связями, которых, по условию, быть не должно. Ковалентные связи отсутствуют в $\mathrm{NaF},$ который образован одноатомными ионами ${\mathrm{Na}}^{+} \mathrm{и} {\mathrm{F}}^{-}.$

Ответ: 1.

Ответы

Упражнение 1

$∆\mathrm{\chi } =∆\mathrm{\chi }\left(\mathrm{F}\right) -∆\mathrm{\chi } \left(\mathrm{Cs}\right) = 3,98 - 0,79 = 3,19$ — связь можно счи­тать ионной.

Упражнение 2

1. 1, 3, 5

2. 1, 2, 4