Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

Тема 2

ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК І БУДОВА РЕЧОВИН

§ 4. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ'ЯЗКІВ: ЙОННИЙ ЗВ'ЯЗОК

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • виявляти йонний зв'язок у речовинах за їхніми формулами;
  • наводити приклади речовин з йонним зв'язком;
  • пояснювати механізм утворення йонного зв'язку;
  • прогнозувати фізичні властивості речовин з йонним зв'язком.

Хімічний зв’язок. Ознайомившись докладніше з електронною будовою атомів і розміщенням електронів на енергетичних рівнях, зокрема на зовнішньому — найвіддаленішому від ядра, ви переконалися, що періодична зміна властивостей елементів та їхніх сполук пов'язана насамперед з будовою зовнішнього рівня. Валентні стани атомів змінюються й залежать від того, у якому стані — основному чи збудженому — атом вступає в хімічну взаємодію з іншими атомами.

Оскільки інертні хімічні елементи мають завершений зовнішній енергетичний рівень, то в природі вони є одноатомними газами. Усі інші елементи періодичної системи здатні утворювати прості та складні речовини. Це пояснюється тим, що атоми цих елементів, зовнішні енергетичні рівні яких є незавершеними, прагнуть створити стійку конфігурацію під час взаємодії між собою або з атомами інших елементів. Тоді між атомами виникає хімічний зв'язок. Згідно з принципом «мінімальної енергії», хімічний зв'язок між атомами утворюється, якщо повна енергія системи в разі їхнього зближення зменшується.

У неорганічних й органічних речовинах наявні різні види хімічного зв'язку: між атомами неметалічних елементів утворюється ковалентний (неполярний та полярний) зв'язок, між атомами металічних і неметалічних елементів — йонний, у металів — металічний, у молекулах і між молекулами сполук з ковалентним полярним зв'язком — водневий.

Йонний зв’язок. Вивчаючи будову електронних оболонок атомів, ви дізналися, що найстабільнішу конфігурацію мають атоми інертних елементів. Така будова відповідає мінімальній енергії, тому всі інші елементи намагаються набути такої самої конфігурації.

Під час хімічних реакцій металічним елементам властиво віддавати електрони зовнішнього енергетичного рівня, щоб утворити стійку конфігурацію. Наприклад, атоми лужних елементів, маючи на зовнішньому енергетичному рівні один електрон, віддають його й перетворюються на позитивно заряджені йони, у яких зовнішній енергетичний рівень завершений, як у попереднього інертного елемента.

Атоми неметалічних елементів мають велику кількість електронів. Тому їм енергетично вигідніше приєднати певну кількість електронів до завершення зовнішнього енергетичного рівня. Після того вони перетворюються на негативно заряджені йони. Схематично це зображають так:

Na0 - 1e → Na+; K0 - 1e → K+; Cl- + 1e → Cl0; Br- + 1e → Br0.

Йони — це заряджені частинки, на які перетворюються атоми, коли віддають або приєднують електрони.

Вам уже відомо, що позитивно заряджені йони називають катіонами, а негативно заряджені — аніонами. Заряди йонів залежать від кількості відданих або приєднаних електронів. Якщо атом Кальцію віддає два електрони, то заряд йона 2+ (два плюс). У разі приєднання атомом Сульфуру двох електронів утворюється йон, заряд якого дорівнює 2- (два мінус).

Процес переходу електронів від атомів металічних до атомів неметалічних елементів можна зобразити так:

Під час взаємодії Натрію з Бромом атом Натрію, електронна конфігурація якого 1s22s22p63s1, віддає електрон і перетворюється на йон Натрію, що має стабільну конфігурацію 1s22s22p6, як в атома Неону. Приймаючи електрон, атом Брому з електронною конфігурацією 1s22s22p63s23p63d104s24p5 перетворюється на йон Брому з конфігурацією 1s22s22p63s23p63d104s24p6, що відповідає зовнішньому енергетичному рівню атома Криптону, який є завершеним.

Йонний зв'язок — це хімічний зв'язок між йонами, що утворюється на основі електростатичних сил притягання. Сполуки з йонним зв'язком називають йонними сполуками.

Йонний зв'язок утворюється між атомами елементів, електронегативності яких значно відрізняються, тобто між атомами металічних і неметалічних елементів. Сили взаємодії між йонами залежать від значень зарядів і радіусів йонів. Що більші заряди й менші радіуси йонів, то міцніші кулонівські сили притягання між йонами, а отже, міцніший хімічний зв'язок.

До йонних сполук належать основні й амфотерні оксиди, основи й амфотерні гідроксиди, солі, бінарні сполуки, до складу яких входять металічні й неметалічні елементи. Наприклад, оксиди натрій оксид Na2O, калій оксид К2О, цинк оксид ZnO, алюміній оксид Al2O3; основи натрій гідроксид NaOH, кальцій гідроксид Са(ОН)2; амфотерні гідроксиди цинк гідроксид Zn(OH)2, алюміній гідроксид Al(OH)3, ферум(ІІІ) гідроксид Fe(OH)3; солі натрій хлорид NaCl, літій фторид LiF, калій сульфат K2SO4; бінарні сполуки Ca3P2, Mg3N2, CaC2.

З'ясуємо, чи однакові властивості проявляють атоми й утворені ними йони. Вивчаючи курс неорганічної хімії, ви ознайомилися з реакціями лужних і лужноземельних металів з водою. Під час їхнього перебігу утворюються основи та виділяється водень:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑;

Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2↑.

Однак, розчиняючи натрій хлорид у воді, ми не спостерігатимемо виділення водню, хоча кристали солі дисоціюють і в розчині наявні йони Натрію:

NaCl = Na+ + Cl-.

Зважаючи на це, доходимо висновку, що властивості атомів та йонів є різними.

Йонні кристалічні ґратки. Усі йонні сполуки — тверді кристалічні речовини, структурні частинки яких — це позитивно та негативно заряджені йони. У структурі кристалу йонної сполуки йони розміщуються в певному порядку, зокрема в кристалічних ґратках періодично чергуються катіони й аніони. Наприклад, у кристалах натрій хлориду, модель кристалічних ґраток якого зображено на рис. 10, навколо кожного позитивно зарядженого йона Натрію розміщуються шість негативно заряджених йонів Хлору й навпаки. Йони в кристалі утримуються електростатичними силами притягання, що виникають між різнойменно зарядженими частинками. Ці сили досить міцні, що впливає на властивості йонних сполук. Вони нелеткі, тверді, тугоплавкі, мають високі температури кипіння, багато з них добре розчинні у воді.

Рис. 10. Масштабна модель кристалічних ґраток натрій хлориду

Водні розчини або розплави (для нерозчинних у воді) йонних сполук є електропровідними. Це означає, що під час розчинення або розплавлення вони розпадаються на йони. У розплавах електропровідність зростає.

Йонні сполуки не розчиняються або слабо розчиняються в неполярних розчинниках. Йонні кристали є хорошими діелектриками.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• У неорганічних та органічних речовинах виникають різні види хімічного зв'язку: ковалентний (неполярний та полярний), йонний, металічний, водневий.

Йонний зв'язок — хімічний зв'язок між йонами, що утворюється на основі електростатичних сил притягання.

• Сполуки з йонним зв'язком називають йонними.

Йонний зв'язок утворюється між атомами елементів, електронегативності яких значно відрізняються, тобто між атомами металічних і неметалічних елементів.

Йони — заряджені частинки, на які перетворюються атоми, коли віддають або приєднують електрони.

• Позитивно заряджені йони називають катіонами, а негативно заряджені — аніонами. Заряди йонів залежать від кількості відданих або приєднаних електронів.

• До йонних сполук належать основні й амфотерні оксиди, основи й амфотерні гідроксиди, солі, бінарні сполуки.

• Йонні сполуки утворюють йонні кристалічні ґратки.

Йонні сполуки — тверді кристалічні речовини, нелеткі, тугоплавкі, розчинні у воді та нерозчинні або погано розчинні в неполярних розчинниках. Розчини й розплави проводять електричний струм. Йонні кристали — хороші діелектрики.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Поясніть, який зв'язок називають йонним.
  • 2. Назвіть сполуки з йонним хімічним зв'язком.
  • 3. Укажіть ряд формул, де містяться тільки йонні сполуки.

А KCl, HCl, CO2, MgS

Б NaOH, Al2(SO4)3, FeS, KCl

В Na2O, ZnBr2, H2S, SO3

Г SO2, NaNO3, NO2, Mg3N2

  • 4. Виберіть з-поміж наведених формул речовин йонні сполуки й складіть формули йонів, що входять до їхнього складу: Ba(OH)2, H2SO4, ZnCl2, KNO3, H2S, SO2, ZnO, CH4, Al2S3, Na2SO4, C2H6, FeCl3, NaOH, H2O, MgSO4.
  • 5. Складіть усі можливі формули речовин, які містять такі йони: Fe2+, SO2-4, Al3+, NO-3, S2-, Ca2+, Li+, Cl-, H+, Ag+.