Русская Википедия:Ионная связь
Ионная связь — сильная химическая связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионовШаблон:Sfn. Возникает между атомами с большой разностью (>1,7 по шкале Полинга) электроотрицательностей, при которой общая электронная пара переходит преимущественно к атому с большей электроотрицательностью. Это притяжение ионов как разноимённо заряженных тел. Примером может служить соединение CsF, в котором «степень ионности» составляет 97 %. Ионная связь — крайний случай поляризации ковалентной полярной связи. Образуется между типичными металлом и неметаллом. При этом электроны у металла полностью переходят к неметаллу, образуются ионы.
Химическая связь
Если химическая связь образуется между атомами, которые имеют очень большую разность электроотрицательностей (ЭО > 1,7 по Полингу), то общая электронная пара полностью переходит к атому с большей ЭО. Результатом этого является образование соединения противоположно заряженных ионов:
- <math>\mathsf A\cdot + \cdot \mathsf B \to \mathsf A^+ [: \mathsf B^-]</math>
Между образовавшимися ионами возникает электростатическое притяжение, которое называется ионной связью. Вернее, такой взгляд удобен. На деле ионная связь между атомами в чистом виде не реализуется нигде или почти нигде, обычно на деле связь носит частично ионный, а частично ковалентный характер. В то же время связь сложных молекулярных ионов часто может считаться чисто ионной. Важнейшие отличия ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости. Именно поэтому кристаллы, образованные за счёт ионной связи, тяготеют к различным плотнейшим упаковкам соответствующих ионов.
Характеристикой подобных соединений служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т. д.). Это происходит из-за заряженности частей молекулы. При этом диполи растворителя притягиваются к заряженным концам молекулы, и, в результате броуновского движения, «растаскивают» молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы, окружённые диполями растворителя.
При растворении подобных соединений, как правило, выделяется энергия, так как суммарная энергия образованных связей растворитель-ион больше энергии связи анион-катион. Исключения составляют многие соли азотной кислоты (нитраты), которые при растворении поглощают тепло (растворы охлаждаются). Последний факт объясняется на основе законов, которые рассматриваются в физической химии.
Если атом теряет один или несколько электронов, то он превращается в положительный ион — катион (в переводе с греческого — "идущий вниз). Так образуются катионы водорода Н+, лития Li+, бария Ва2+. Приобретая электроны, атомы превращаются в отрицательные ионы — анионы (от греческого «анион» — идущий вверх). Примерами анионов являются фторид ион F−, сульфид-ион S2−, нитрат-ион NO3-.
Пример образования ионной связи
Рассмотрим способ образования на примере хлорида натрия NaCl. Электронную конфигурацию атомов натрия и хлора можно представить: <math>\mathsf{Na^{11} 1s^22s^22p^63s^1}</math> и <math>\mathsf{Cl^{17} 1s^22s^22p^63s^23p^5}</math>. Это атомы с незавершенными энергетическими уровнями. Очевидно, для их завершения атому натрия легче отдать один электрон, чем присоединить семь, а атому хлора легче присоединить один электрон, чем отдать семь. При химическом взаимодействии атом натрия полностью отдает один электрон, а атом хлора принимает его.
Схематично это можно записать так:
- <math>\mathsf{Na-e \rightarrow Na^+}</math> — ион натрия, устойчивая восьмиэлектронная оболочка (<math>\mathsf{Na^{+} 1s^22s^22p^6}</math>) за счет второго энергетического уровня.
- <math>\mathsf{Cl+e \rightarrow Cl^-}</math> — ион хлора, устойчивая восьмиэлектронная оболочка.
Между ионами <math>\mathsf{Na^+}</math> и <math>\mathsf{Cl^-}</math> возникают силы электростатического притяжения, в результате чего образуется соединение.
Модель идеального кристалла
Для кубического кристалла хлорида натрия (NaCl) каждый атом Na окружён 6-ю атомами Cl, поэтому соответствующая потенциальная энергия <math>-6ke^2/r\,,</math> где r — расстояние между атомами, e — заряд электрона, k — постоянная Кулона. Расположенные за ионами хлора положительно заряженные ионы натрия (в количестве 12) отталкиваются от центрального иона и так далее. В общем, притягивающий потенциал можно записать в видеШаблон:Sfn
- <math>U_{attr}=-\alpha k \frac{e^2}{r}\,,</math>
где α — постоянная Маделунга. Для хлорида натрия α=1,7476. Из-за принципа запрета Паули возникает дополнительное отталкивание между ионами, и полный потенциал можно записать в видеШаблон:Sfn
- <math>U_{t}=-\alpha k \frac{e^2}{r}+\frac{B}{r^m}\,,</math>
где B и m≈10 — постоянные, зависящие от вида ионовШаблон:Sfn. Такой потенциал имеет минимум, абсолютное значение которого в нём называется ионной энергией когезии — то есть энергией, необходимой для разделения ионов на бесконечности. Для натрия хлора это 7,84 эВ/ион или 760 кДж/моль. Для атомной энергии когезии нужно учесть нейтрализацию ионовШаблон:Sfn.
Примечания
Литература
