§ 34. Ионная химическая связь

Химическая связь, образующаяся за счёт сил электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами:

• 1. Природа связи — возникает при взаимодействии атомов с резко выраженными противоположными свойствами: между атомами типичных металлов (IA- и IIA-групп) и типичных неметаллов (VIIA-группы, кислорода).
• 2. Ионы — положительно или отрицательно заряженные частицы, в которые превращаются нейтральные атомы химических элементов в результате отдачи или присоединения электронов.
• 3. Механизм образования — атомы металлов отдают валентные электроны внешнего уровня, обнажая устойчивый предвнешний октет и превращаясь в положительные катионы ($Na^0 - 1\bar{e} \rightarrow Na^+$, $Ca^0 - 2\bar{e} \rightarrow Ca^{2+}$); атомы неметаллов принимают недостающие электроны до завершения 8-электронного внешнего слоя, превращаясь в отрицательные анионы ($Cl^0 + 1\bar{e} \rightarrow Cl^-$, $F^0 + 1\bar{e} \rightarrow F^-$).

Строгая систематическая последовательность действий при составлении формульных единиц немолекулярных бинарных соединений:

• 1. Определение зарядов ионов — записывают химические символы элементов (на первом месте металл-катион, на втором неметалл-анион) и определяют заряды образовавшихся ионов на основе числа отданных и принятых электронов (например, для соединения кальция с фтором: $Ca^{2+}$ и $F^-$).
• 2. Нахождение наименьшего общего кратного (НОК) — определяют наименьшее общее кратное между абсолютными значениями величин зарядов ионов (для $2$ и $1$ $\text{НОК} = 2$).
• 3. Расчёт индексов и запись формулы — делят найденное НОК на величину заряда каждого иона для определения числа ионов в формуле: для кальция $2 / 2 = 1$ (индекс $1$ не пишется), для фтора $2 / 1 = 2$; получают итоговую формульную единицу $CaF_2$.
• 4. Формульная единица — условная дискретная единица для веществ немолекулярного строения, выражающая наименьшее целочисленное соотношение противоположно заряженных ионов в кристаллической решётке.

Пространственный каркас кристалла, в узлах которого закономерно чередуются противоположно заряженные ионы:

• 1. Геометрическое строение — в узлах решётки строго упорядоченно располагаются положительные и отрицательные ионы, связанные ненаправленными электростатическими силами; каждый катион окружён определённым числом анионов, а каждый анион — катионами (например, в решётке галита $NaCl$ координационное число равно $6$).
• 2. Физические свойства веществ с ионной решёткой — все соединения с ионной связью при нормальных условиях представляют собой твёрдые кристаллические вещества; характеризуются высокой прочностью, тугоплавкостью (высокими температурами плавления и кипения), нелетучестью и относительной хрупкостью; в кристаллическом виде являются диэлектриками, а в расплавленном состоянии и водных растворах распадаются на подвижные ионы и проводят электрический ток.

Немецкий физик и физикохимик, один из создателей квантовой теории строения атома и автор первой теории химической связи. В 1916 году сформулировал октетную теорию валентности, заложив научный фундамент современных представлений об ионных соединениях.

• В 1916 году выдвинул электронную теорию ионной связи, установив, что уникальная химическая инертность благородных газов обусловлена завершённым внешним слоем из восьми электронов (у гелия — двух).
• Сформулировал правило октета, согласно которому атомы других химических элементов стремятся приобрести стабильную восьмиэлектронную оболочку, отдавая внешние валентные электроны или принимая недостающие.
• Объяснил возникновение ионной связи через полное перемещение электронов между металлами и неметаллами и взаимное электростатическое притяжение образовавшихся разноимённых ионов (катионов и анионов).

Ионы — это электрически заряженные (положительно или отрицательно) частицы, в которые превращаются нейтральные атомы или группы атомов в результате отдачи или присоединения электронов.

Механизм образования ионов:

• Атомы элементов-металлов содержат на внешнем энергетическом уровне малое число электронов (как правило, от 1 до 3) и имеют сравнительно большой атомный радиус. Стремясь к энергетически устойчивой электронной конфигурации благородного газа (октету из 8 электронов), атомы металлов легко отдают внешние электроны. Теряя отрицательно заряженные электроны, электронейтральный атом приобретает избыточный положительный заряд ядра и превращается в положительный ион (катион):

$$M^0 - n\bar{e} \rightarrow M^{n+}$$

Пример: Атом натрия с конфигурацией $2, 8, 1$ отдает один электрон:

$$Na^0 - 1\bar{e} \rightarrow Na^+\ (2, 8)$$

• Атомы элементов-неметаллов содержат на внешнем уровне значительное число электронов (от 4 до 7) и имеют малый радиус. Им энергетически выгоднее принять недостающие до октета электроны ($8 - \text{№ группы}$). Присоединяя отрицательно заряженные электроны, атом приобретает избыточный отрицательный заряд и превращается в отрицательный ион (анион):

$$Ac^0 + m\bar{e} \rightarrow Ac^{m-}$$

Пример: Атом хлора с конфигурацией $2, 8, 7$ принимает один электрон:

$$Cl^0 + 1\bar{e} \rightarrow Cl^-\ (2, 8, 8)$$

а) Сходство и различия между атомом кальция ($Ca^0$) и ионом кальция ($Ca^{2+}$):

• Сходство:
• Одинаковый заряд ядра: $+20$.
• Одинаковое число протонов в ядре: $N(p^+) = 20$.
• Одинаковое число нейтронов в ядре стабильного изотопа: $N(n) = 40 - 20 = 20$.
• Принадлежность к одному и тому же химическому элементу — кальцию.
• Различия:
• Число электронов: в нейтральном атоме $Ca^0$ содержится $20$ электронов, а в ионе $Ca^{2+}$ — только $18$ электронов (отдано $2$ электрона с внешнего слоя).
• Электронная конфигурация по слоям:
• Атом $Ca^0$: $2, 8, 8, 2$ (четыре электронных слоя, незавершённый внешний уровень);
• Ион $Ca^{2+}$: $2, 8, 8$ (три электронных слоя, устойчивый завершённый внешний октет аргона).
• Радиус частицы: радиус иона $Ca^{2+}$ значительно меньше радиуса атома $Ca^0$, так как внешний четвертый слой полностью исчез, а оставшиеся 18 электронов сильнее притягиваются ядром с зарядом $+20$.
• Электрический заряд: атом $Ca^0$ электронейтрален ($0$), ион имеет заряд $2+$.
• Химические свойства: атом $Ca^0$ — сильнейший восстановитель, активно реагирует с кислородом, водой и галогенами; ион $Ca^{2+}$ химически стабилен, проявляет лишь слабые окислительные свойства при электролизе.

б) Сходство и различия между атомом кислорода ($O^0$) и ионом кислорода ($O^{2-}$):

• Сходство:
• Одинаковый заряд ядра: $+8$.
• Одинаковое число протонов в ядре: $N(p^+) = 8$.
• Одинаковое число нейтронов в ядре основного изотопа: $N(n) = 16 - 8 = 8$.
• Принадлежность к одному химическому элементу — кислороду.
• Различия:
• Число электронов: в нейтральном атоме $O^0$ содержится $8$ электронов, а в ионе $O^{2-}$ — $10$ электронов (присоединено $2$ электрона).
• Электронная конфигурация по слоям:
• Атом $O^0$: $2, 6$ (два неспаренных электрона на внешнем слое, слой незавершён);
• Ион $O^{2-}$: $2, 8$ (устойчивый завершённый внешний 8-электронный октет неона).
• Радиус частицы: радиус иона $O^{2-}$ существенно больше радиуса нейтрального атома $O^0$ из-за взаимного электростатического отталкивания увеличившегося числа внешних электронов при неизменном заряде ядра $+8$.
• Электрический заряд: атом $O^0$ электронейтрален ($0$), ион имеет заряд $2-$.
• Химические свойства: атом $O^0$ — активнейший окислитель; ион $O^{2-}$ имеет завершённый уровень и в химических реакциях может выступать только в роли восстановителя.

а) Между литием ($Li$) и фтором ($F$):

• Литий ($Li$) — элемент IA-группы, 2-й период. Электронная формула атома: $+3 ) 2, 1$. Для завершения уровня атому лития легче отдать $1$ электрон:

$$Li^0 - 1\bar{e} \rightarrow Li^+\ (2)$$

• Фтор ($F$) — элемент VIIA-группы, 2-й период. Электронная формула атома: $+9 ) 2, 7$. До октета не хватает $1$ электрона:

$$F^0 + 1\bar{e} \rightarrow F^-\ (2, 8)$$

• Итоговая схема переноса электрона и образования ионного соединения:

$$Li^0 + F^0 \xrightarrow{1\bar{e}} Li^+ + F^- \rightarrow LiF$$

(образуется ионное соединение — фторид лития).

б) Между литием ($Li$) и кислородом ($O$):

• Атом лития отдает один валентный электрон:

$$Li^0 - 1\bar{e} \rightarrow Li^+$$

• Кислород ($O$) — элемент VIA-группы, 2-й период. Электронная формула: $+8 ) 2, 6$. До октета атому кислорода требуется $2$ электрона:

$$O^0 + 2\bar{e} \rightarrow O^{2-}\ (2, 8)$$

• Чтобы предоставить атому кислорода $2$ электрона, требуются два атома лития:

$$2Li^0 - 2\bar{e} \rightarrow 2Li^+$$

• Итоговая схема образования соединения:

$$2Li^0 + O^0 \xrightarrow{2\bar{e}} 2Li^+ + O^{2-} \rightarrow Li_2O$$

(образуется ионное соединение — оксид лития).

а) Между фтором ($F$) и калием ($K$):

• Калий ($K$) — элемент IA-группы, 4-й период. Электронная формула атома: $+19 ) 2, 8, 8, 1$. Атом калия отдает единственный внешний электрон:

$$K^0 - 1\bar{e} \rightarrow K^+\ (2, 8, 8)$$

• Атом фтора ($F$, $+9 ) 2, 7$) принимает этот электрон до октета:

$$F^0 + 1\bar{e} \rightarrow F^-\ (2, 8)$$

• Итоговая схема образования соединения:

$$K^0 + F^0 \xrightarrow{1\bar{e}} K^+ + F^- \rightarrow KF$$

(образуется фторид калия).

б) Между фтором ($F$) и кальцием ($Ca$):

• Кальций ($Ca$) — элемент IIA-группы, 4-й период. Электронная формула атома: $+20 ) 2, 8, 8, 2$. Атом кальция отдает два внешних электрона:

$$Ca^0 - 2\bar{e} \rightarrow Ca^{2+}\ (2, 8, 8)$$

• Один атом фтора может принять только один электрон ($F^0 + 1\bar{e} \rightarrow F^-$), поэтому для принятия двух электронов от кальция необходимы два атома фтора:

$$2F^0 + 2\bar{e} \rightarrow 2F^-$$

• Итоговая схема образования соединения:

$$Ca^0 + 2F^0 \xrightarrow{2\bar{e}} Ca^{2+} + 2F^- \rightarrow CaF_2$$

(образуется фторид кальция).

Решение:

В кристаллической решётке ионных веществ общее соотношение катионов и анионов определяется их индексами в формульной единице:

• а) Хлорид натрия ($NaCl$):

Вещество состоит из катионов натрия $Na^+$ и хлорид-анионов $Cl^-$.

На каждый один ион $Na^+$ приходится один ион $Cl^-$.

$$N(Na^+) : N(Cl^-) = 1 : 1$$

• б) Хлорид кальция ($CaCl_2$):

Вещество состоит из катионов кальция $Ca^{2+}$ и хлорид-анионов $Cl^-$.

На каждый один катион $Ca^{2+}$ приходится два аниона $Cl^-$.

$$N(Ca^{2+}) : N(Cl^-) = 1 : 2$$

• в) Фторид алюминия ($AlF_3$):

Вещество состоит из катионов алюминия $Al^{3+}$ и фторид-анионов $F^-$.

На каждый один катион $Al^{3+}$ приходится три аниона $F^-$.

$$N(Al^{3+}) : N(F^-) = 1 : 3$$

Графическое отображение процесса образования хлорида бария $BaCl_2$:

• Анализ электронного строения:
• Барий ($Ba$) — металл IIA-группы, имеет два валентных электрона на внешнем слое: $\cdot Ba \cdot$
• Хлор ($Cl$) — неметалл VIIA-группы, имеет 7 валентных электронов (3 неподелённые электронные пары и 1 неспаренный электрон): $\cdot\ddot{\underset{\cdot\cdot}{Cl}}\colon$
• Схема перехода электронов (электронно-точечная модель):

Каждый из двух атомов хлора забирает по одному электрону у атома бария:

$$\cdot\ddot{\underset{\cdot\cdot}{Cl}}\colon + \cdot Ba \cdot + \cdot\ddot{\underset{\cdot\cdot}{Cl}}\colon \longrightarrow \left[:\ddot{\underset{\cdot\cdot}{Cl}}:\right]^- + Ba^{2+} + \left[:\ddot{\underset{\cdot\cdot}{Cl}}:\right]^-$$

• Ионная схема процесса:

$$Ba^0 - 2\bar{e} \rightarrow Ba^{2+}$$

$$2Cl^0 + 2\bar{e} \rightarrow 2Cl^-$$

$$Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaCl_2$$

• Пространственно-структурное отображение кристаллической решётки:

В кристалле дихлорида бария катионы $Ba^{2+}$ и анионы $Cl^-$ удерживаются ненаправленными электростатическими силами кулоновского притяжения, образуя ионную решётку с координацией ионов $1 : 2$.