Ионная связь

Ионная связь — сильная химическая связь, возникающая в результате электростатического притяжения катионов и анионов. 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.

Атомы натрия и фтора, подвергающиеся окислительно-восстановительной реакции с образованием фторида натрия. Натрий теряет свой внешний электрон, приобретая стабильную электронную конфигурацию, и этот электрон переходит в атом фтора. Противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу с образованием стабильного соединения.

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:

${\mathsf {A}}\cdot +\cdot {\mathsf {B}}\to {\mathsf {A}}^{+}[:{\mathsf {B}}^{-}]$

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: ${\mathsf {Na^{11}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{1}}}$ и ${\mathsf {Cl^{17}1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}}}$. 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:

${\mathsf {Na-e\rightarrow Na^{+}}}$ — ион натрия, устойчивая восьмиэлектронная оболочка (${\mathsf {Na^{+}1s^{2}2s^{2}2p^{6}}}$) за счет второго энергетического уровня.

${\mathsf {Cl+e\rightarrow Cl^{-}}}$ — ион хлора, устойчивая восьмиэлектронная оболочка.

Между ионами ${\mathsf {Na^{+}}}$ и ${\mathsf {Cl^{-}}}$ 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 $-6ke^{2}/r\,,$ 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 виде

$U_{attr}=-\alpha k{\frac {e^{2}}{r}}\,,$

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 виде

$U_{t}=-\alpha k{\frac {e^{2}}{r}}+{\frac {B}{r^{m}}}\,,$

где B и m≈10 — постоянные, зависящие от вида ионов. 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 ионов.

Литература

• Serway, R.; Moses, C.; Moyer, C. Modern Physics (англ.). — 3rd ed.. — Thomson Brooks Cole, 2005. — 682 p. — ISBN 0534493394.