Jakie właściwości mają substancje o wiązaniach jonowych?

Związki o wiązaniach jonowych to między innymi sole oraz niektóre wodorotlenki, tlenki, azotki, wodorki, a także węgliki. Możemy je znaleźć nie tylko w laboratorium chemicznym. Na przykład chlorek sodu, czyli sól kuchenną, spotykamy na co dzień w naszej kuchni. Fluorek sodu jest dodawany do pasty do zębów, aby wzmocnić szkliwo. Z kolei węglik wapnia znalazł zastosowanie jako podgrzewacz żywności w wojskowej kuchni.

Chociaż zastosowania wymienionych związków w życiu codziennym są odmienne, to substancje te mają wiele wspólnych cech.

Na podstawie uporządkowanego rozmieszczenia cząstek, ciała stałe można podzielić na krystaliczne i bezpostaciowe. Ciała stałe o regularnym rozmieszczeniu cząstek składowych nazywane są krystalicznymi ciałami stałymi. Składają się one z jednostek (tak zwanych komórek elementarnych), które powtarzają się we wszystkich trzech kierunkach i tworzą sieć krystaliczną. Okazuje się, że związki o wiązaniu jonowym z łatwością tworzą kryształy jonowe.

W strukturze sieci krystalicznej kryształów jonowych istnieją silne oddziaływania elektrostatyczne między ułożonymi naprzemiennie jonami dodatnimi i ujemnymi. Powoduje to, że do zerwania wiązań jonowych i naruszenia sieci krystalicznej potrzeba dużo energii, a co za tym idzie, wysokiej temperatury. Z tego względu kryształy jonowe mają wysoką temperaturę topnienia i wrzenia, a ponadto zwykle występują w postaci stałej, a nie w stanie ciekłym lub gazowym.

Kryształy jonowe są niezwykle twarde. Dzieje się tak, ponieważ pomiędzy kationami a anionami jest duża siła przyciągania. Szczególnie twarde są kryształy jonowe zbudowane z kationów i anionów o tych samych rozmiarach. Jako miarę trwałości kryształu przyjęto energię sieci krystalicznej, definiowaną jako energię konieczną do zerwania wiązania jonowego

Na wartość energii sieci krystalicznej wpływa wartość ładunku jonu oraz rozmiar promienia jonowego. Wiązanie jest silniejsze, a co za tym idzie energia sieci krystalicznej jest większa, gdy ładunek jonów wzrasta. Zatem siła wiązania między kationem +1 a anionem -1 nie jest tak silna, jak siła między kationem o wartości +3 a anionem o wartości -2. Jeśli rozważymy rozmiar promienia jonowego to siła wiązania między kationami a anionami tworzącymi sieć krystaliczną jest największa, gdy średnica jonów jest mała. Dla przykładu większą energię sieci krystalicznej posiada NaCl niż NaBr. W obu przypadkach promienie kationów są takie same, jednak promień anionu chlorkowego jest mniejszy niż anionu bromkowego. A zatem kation sodu będzie silniej przyciągał mniejszy anion, a więc anion chlorkowy

Wyobraź sobie budowę kryształu jonowego. Spróbuj odtworzyć jego model. W jaki sposób można zerwać wiązania jonowe w takim krysztale?

Po przyłożeniu siły mechanicznej na kryształ jonowy zostaje zaburzony regularny, powtarzający się wzór przeciwnie naładowanych jonów, przez co jony z podobnymi ładunkami zbliżają się do siebie. Wynikające z tego odpychanie powoduje rozpad sieci krystalicznej. To sprawia, że związki jonowe są uznawane za stosunkowo kruche.

Czy wiesz, co się dzieje, gdy związek jonowy rozpuszcza się w wodzie?

Po zanurzeniu związku jonowego w wodzie jony są przyciągane do cząsteczek wody, z których każda posiada ładunek polarny. Jeśli przyciąganie między jonami a cząsteczkami wody jest wystarczająco duże, aby rozerwać wiązania utrzymujące jony razem, związek rozpuszcza się. Większość związków jonowych jest rozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach polarnych, gdzie ulega dysocjacji, czyli rozpada się na jony. Związki jonowe są nierozpuszczalne w niepolarnych rozpuszczalnikach, takich jak na przykład benzen.

Reakcje związków jonowych są bardzo szybkie w porównaniu z reakcjami związków kowalencyjnych. Wynika to z faktu, że związki kowalencyjne posiadają wiązania, których rozerwanie wymaga dostarczenia sporej ilości energii. Związki te mogą tworzyć kryształy kowalencyjne, gdzie atomy połączone czystym wiązaniem kowalencyjnym tworzą jedną gigantyczną molekułę, albo kryształy molekularne, których elementem sieci przestrzennej są odrębne cząsteczki.

Jeśli rozpuścimy w wodzie kryształ jonowy, na przykład chlorek sodu, to bardzo szybko rozpadnie się on na kation sodu i anion chlorkowy. Powstałe jony ulegną rozproszeniu w roztworze, a każdy jon będzie solwatowany, czyli otoczony przez cząsteczkę wody, co uniemożliwi ponowne połączenie jonów. Po przyłączeniu wszystkich cząsteczek wody do jonów, w uzyskanym roztworze nie da się rozpuścić więcej substancji i staje się on nasycony. Powstały roztwór, w którym poruszają się zdysocjowane jony, nazywa się elektrolitem. Oznacza to, że może on przewodzić elektryczność. Dzieje się tak dzięki obecności w roztworze ruchliwych jonów mających zdolność przewodzenia ładunku elektrycznego.

Czy już wiesz, dlaczego piasek nie rozpuszcza się w wodzie?

Dobrą przewodność elektryczną wykazują również stopione związki jonowe. Na skutek działania wysokiej temperatury związek jonowy rozpada się na jony, które swobodnie poruszają się w cieczy jonowej i mają zdolność przewodzenia ładunku elektrycznego. Bez wątpienia związki jonowe w stanie stałym nie wykazują tych właściwości, ponieważ jony nie mogą się swobodnie poruszać. Dlatego związki jonowe w stanie stałym nie mogą przewodzić elektryczności.