bg‑gray1

Wiązanie jonowe

Teoria wiązania jonowego powstała w 1916 r. za sprawą naukowca Walthera Kossela. Punktem wyjścia w rozważaniach badacza była bierność gazów szlachetnych, wynikająca z całkowitego zapełnienia zewnętrznej powłoki elektronowej (oktetoktetoktet lub dubletdubletdublet elektronowy). Kossel założył, że atomy różnych pierwiastków, łącząc się ze sobą, mogą przyjmować konfigurację analogiczną do konfiguracji gazów szlachetnych. Poniżej przedstawiono innych naukowców, których dokonania przyczyniły się do lepszego zrozumienia wiązań jonowych.

Rf40mFCxwfoHi1
Oś czasu. 1904 Na zdjęciu jest mężczyzna w średnim wieku, szpakowaty, z kozią bródką. Patrzy na wprost. Jest szczupły. Ma na sobie marynarkę, koszulę, kamizelkę. Richard Abegg Pomysłodawca koncepcji wartościowości. Reguła Abegga mówi, że każdy pierwiastek ma dwie wartościowości: „główną” i „przeciwną”, których suma wynosi osiem. W ujęciu mechaniki kwantowej możemy tę regułę sformułować następująco: najtrwalszą konfiguracją jest ta, dla której wypełnione są walencyjne powłoki: s zawierająca 2 elektrony oraz p zawierająca 6 elektronów. W sumie daje to 8 elektronów. Przy czym poboczna liczba kwantowa (l) dla powłoki s=0, p=1. Stąd możemy zapisać, że liczba elektronów dla powłoki s wynosi : 22l+1=2, dla powłoki p: 22l+1=6. Liczba 2l+1 określa degenerację ze względu na orbitalny moment pędu, natomiast liczba 2 uwzględnia degenerację ze względu na spin elektronu. 1916 Na zdjęciu jest starszy mężczyzna z gęstym wąsem, ma siwe włosy. Ubrany jest w garnitur, siedzi przy biurku. Delikatnie się uśmiecha. Gilbert N. Lewis Jest autorem obowiązującej do dziś teorii wiązań kowalencyjnych, postulującej, że wiązanie to składa się z elektronów walencyjnych, uwspólnionych przez dwa atomy o podobnej elektroujemności. 1916 Zdjęcie przedstawia starszego mężczyznę, łysiejącego, w okularach. Mężczyzna jest szczupły. Patrzy na wprost. Ma na sobie garnitur. Walther Kossel Sformułował teorie wiązania jonowego, która mówi o tym, że wiązanie jonowe powstaje wówczas, gdy atomy jednego z reagujących pierwiastków łatwo oddają, a atomy drugiego łatwo przyłączają elektrony. 1919 Na zdjęciu jest młody mężczyzna w okularach. Ma gęste włosy z grzywką zaczesaną w prawo. Ma poważny wyraz twarzy. Ubrany jest w garnitur. Irving Lingmuir Sformułował teorię oktetu, wg której atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliżej położonego gazu szlachetnego w układzie okresowym pierwiastków, czyli do uzyskania układu oktetu (ośmiu) elektronów walencyjnych (z wyjątkiem dążenia do uzyskania konfiguracji helu, mającego jedynie dwa elektrony). 1932 Na zdjęciu jest starszy, łysiejący, szczupły mężczyzna, delikatnie się uśmiecha. Ubrany jest w garnitur. Linus Pauling Stworzył skalę elektroujemności, nazwaną od jego nazwiska. Jest ona skalą empiryczną, opartą na pomiarach energii i polaryzacji wiązań prostych dwuatomowych związków chemicznych
Źródło: dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Według teorii Kossela wiązanie jonowe powstaje wówczas, gdy atomy jednego z reagujących pierwiastków łatwo oddają, a atomy drugiego łatwo przyłączają elektrony. W taki sposób jeden z pierwiastków zyskuje ładunek dodatni (oddał elektron), a drugi przyjmuje ładunek ujemny (przyjął elektron). Wytworzone jony (dodatni i ujemny) przyciągają się elektrostatycznie, tworząc w przypadku ciał stałych uporządkowaną strukturę.

bg‑gray1

Substancje o wiązaniach jonowych

Substancje te można podzielić na kilka grup związków, w zależności od budowy chemicznej. Jak wynika ze schematu poniżej, związki jonowe to nie tylko sole. W przypadku tlenków i wodorotlenków im większy jest udział wiązania jonowego w tych związkach, tym ich charakter jest bardziej zasadowy.

R16qlqfo0gQfn
sole Na przykład: NaCl, CaF2, KNO3. Poniżej przedstawiono kryształ fluorku wapnia (CaF2) Zdjęcie przedstawia różową, półprzezroczystą bryłęŹródło: pixabay.com, licencja: domena publiczna, wodorotlenki Na przykład: NaOH, Mg(OH)2. Poniżej przedstawiono kryształ brucytu (Mg(OH)2) Zdjęcie przedstawia kryształ brucytu. Kryształ jest półprzezroczysty, gdzieniegdzie ma mleczny kolorŹródło: Rob Lavinsky, licencja: CC BY-SA 3.0, dostępny w internecie: az.wikipedia.org, tlenki litowców i berylowców Na przykład: MgO, Na2O. Poniżej przedstawiono tlenek magnezu - peryklaz (MgO) NA zdjęciu na szalce znajduje się proszek tlenek magnezu - peryklazŹródło: Adam Rędzikowski, licencja: CC BY-SA 4.0, dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, wodorki litowców i berylowców (oprócz Mg i Ca) i metali bloku d i f Model 3D wodorku sodu NaH Ilustracja przedstawia sześcian zbudowany z mniejszych fioletowych i większych szarych kulek. Występują naprzemiennieŹródło: pl.wikipedia.org, licencja: domena publiczna, azotki litowców i berylowców Na przykład: Li3N, Ba3N2. Na szkiełku przedstawiono azotek baru Ba3N2 Na szkiełku zegarkowym jest pewna ilość białego proszku - azotku baruŹródło: pl.wikipedia.org, licencja: domena publiczna, węgliki metali grup 1, 2 oraz 13. Poniżej przedstawiono kryształ karbidu CaC2 Na zdjęciu znajduje się kamień przypominający bryłkę węgla - część jest czarna, a część powierzchni jest jasnobrązowa,jakby była ubrudzonaŹródło: pl.wikipedia.org, licencja: domena publiczna
R17bMGFEpeWCS1
Halit – minerał z gromady halogenków. Głównym jego składnikiem jest chlorek sodu. Nazwa pochodzi od greckich słów halos – ‘sól, słony’, oraz lithos – ‘kamień’. Halityt to monomineralna skała zbudowana z halitu.
Źródło: Didier Descouens, dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 4.0.

Okazuje się, że na siłę wiązania jonowego wpływa zarówno wielkość ładunku, jak i wielkość jonu. Wraz ze wzrostem wielkości ładunku siła wiązania rośnie. Wiązanie jonowe staje się tym silniejsze, im średnica jonu jest mniejsza. Jako miarę trwałości kryształu przyjęto energię sieci krystalicznej, definiowaną jako energię konieczną do zerwania wiązania jonowego. Niektóre energie sieci podano w tabeli poniżej.

Substancja

Teoretyczna energia sieciowa kJmol

LiF

1034

LiCl

840,1

NaF

914,2

NaCl

770,3

NaBr

728,4

NaI

680,7

Warto zatem prześledzić właściwości związków posiadających wiązanie jonowe.

bg‑gray1

Zdolność do tworzenia kryształów jonowych

Tendencję do tworzenia kryształów jonowych mają związki o charakterze jonowym, do których zaliczyć można zwłaszcza tlenki, halogenki i siarczki pierwszej i drugiej grupy układu okresowego.

Jak wspomniano wcześniej, związki o wiązaniach jonowych są zbudowane z jonów dodatnich i ujemnych, przyciąganych wzajemnie siłami elektrostatycznymi. Jony te układają się w regularne formy krystaliczne, dążąc przy tym do takiego ułożenia, by energia układu była jak najmniejsza. W krysztale jonowym nie istnieje już zatem pojęcie cząsteczki. Pojedyncze cząsteczki jonowe mogą istnieć wyłącznie w fazie gazowej, a więc w bardzo wysokich temperaturach. W krysztale jonowym każdy jon dąży do otoczenia się jak największą liczbą jonów znaku przeciwnego, a więc osiągnięcia jak największej liczby koordynacyjnejliczba koordynacyjnaliczby koordynacyjnej.

Ponieważ wiązanie jonowe nie ma charakteru kierunkowego, jony zajmują pozycje zgodnie z zasadą najgęstszego upakowania. O strukturze kryształu zwykle jednak decyduje rozmiar anionu, ponieważ zazwyczaj jest on większy niż kation. Kation zajmuje luki sieci krystalicznej pozostawione przez aniony. W zależności od stosunku promienia kationu do anionu możliwe jest tworzenie przez związki o charakterze jonowym różnego typu sieci przestrzennych.

bg‑gray1

Wysokie temperatury topnienia i wrzenia

Związki jonowe często topią się, a po stopieniu gotują w znacznie wyższych temperaturach niż inne materiały. Na przykład chlorek sodu topi się w 801°C i wrze w 1413°C. Dla porównania, woda topi się w temperaturze 0°C i wrze w temperaturze 100°C. Z czego to wynika? Aby związki jonowe mogły ulec stopieniu, należy dostarczyć ogromną ilość energii, dzięki której kationy i aniony oddalą się od siebie. Silne oddziaływanie pomiędzy jonami powoduje, że do rozłączenia jonów potrzeba wysokiej energii, a co za tym idzie – dostarczenia dużej ilości ciepła. Kiedy temperatura rośnie, jony krążą wokół ich miejsca w sieci. Dopiero po oddaniu odpowiedniej dawki energii (w temperaturze topnienia) jony opuszczają swoje miejsca sieciowe i siła ich wzajemnego oddziaływania maleje. Z tego względu związki jonowe mają bardzo wysokie temperatury topnienia i wrzenia. Na wartość temperatur topnienia ma wpływ wielkość i ładunek zaangażowanych jonów. Przykładowo: tlenki (zawierające anion O2-), ze względu na podwójny ładunek anionu tlenu, wykazują szczególnie wysokie temperatury topnienia.

Polecenie 1

Dla związków NaF (fluorek sodu) oraz CaO (tlenek wapnia) rozmiary jonów są w przybliżeniu takie same: Na+ (102 pm) w porównaniu z Ca+ (100 pm) i F- (133 pm) kontra O2- (140 pm). Napisz, z czego wynika różnica w temperaturach topnienia tych związków?

R16HrPZ2jqMAM
Odpowiedź: (Uzupełnij).
bg‑gray1

Duża wytrzymałość mechaniczna i średnia twardość

Jedną z cech charakterystycznych ciał stałych jest twardość, czyli odporność na odkształcenia powierzchni. Do określenia twardości minerałów służy skala twardości Mohsaskala twardości Mohsaskala twardości Mohsa. Związki mające wiązanie jonowe są niezwykle twarde, ponieważ trudno poruszyć jony w krysztale. Nawet zastosowanie dużej siły na kryształ niekiedy nie jest wystarczające, aby rozbić związek jonowy. Dzieje się tak ze względu na dużą siłę przyciągania pomiędzy kationami a anionami, utrzymującą kryształ razem. Szczególnie twarde są kryształy jonowe zbudowane z kationów i anionów o tych samych rozmiarach.

bg‑gray1

Twarde to nie to samo, co kruche

Jeśli do kryształu zostanie przyłożona siła, warstwy jonowe poruszają się nieznacznie, co powoduje, że ładunki stykają się ze sobą i wzajemnie odpychają. Wtedy kryształ pęka. Mówi się o kruchości kryształu, ponieważ pęka pod wpływem naprężeń. Należy przy tym pamiętać, że twarde kryształy również mogą być kruche.

Co zrobić, jeśli związek jonowy jest naprawdę twardy?

W takim wypadku należy zastosować odpowiedni rodzaj siły. Okazuje się, że istnieją obszary, których naruszenie nawet małą siłą pozwoli rozłamać kryształ. Po uderzeniu w takie miejsce kryształ pęka wzdłuż płaszczyzn łupliwości.

bg‑gray1

Przewodnictwo elektryczne

W stanie stałym związki jonowe są dobrymi izolatorami (nie przewodzą prądu) ze względu na silne upakowanie jonów dodatnich i ujemnych. Po rozpuszczeniu w wodzie związki jonowe ulegają dysocjacji. Powstające jony dodatnie i ujemne łatwo mogą się przemieszczać i mają zdolność do przewodzenia ładunku elektrycznego przez roztwór. Dlatego właśnie w roztworze wodnym związki jonowe są bardzo dobrymi przewodnikami elektryczności. Podobnie sytuacja wygląda dla substancji w formie stopionej, gdzie jony mogą swobodnie przemieszczać się przez stopioną ciecz jonową. Elektrolizie ulegają stopione sole i wodorotlenki, a sama metoda została wykorzystana do otrzymywania aktywnych metali.

bg‑gray1

Rozpuszczalność

Większość związków o charakterze jonowym jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach polarnych. Istnieje jednak pewna zależność, która reguluje rozpuszczalność. Związki jonowe rozpuszczają się w wodzie, jeśli energia, wydzielana podczas oddziaływania jonów z cząsteczkami wody, kompensuje energię potrzebną do rozbicia wiązań jonowych w ciele stałym i energię potrzebną do oddzielenia cząsteczek wody, aby jony mogły zostać wprowadzone do roztworu.

Dyskusje o równowagach rozpuszczalności opierają się na następującym założeniu: gdy ciała stałe rozpuszczają się w wodzie, dysocjują dając jony, z których są utworzone, np.

NaClNa++Cl
NaOHNa++OH
R1dPrZ4r2HBf91
Przebieg dysocjacji elektrolitycznej kryształu jonowego w wodzie
Źródło: Adam Rędzikowski, Wikipedia, licencja: CC BY-SA 4.0.
Ważne!

Kwasy również rozpuszczają się w wodzie i ulegają dysocjacji. Pamiętajmy jednak, że w cząsteczkach kwasów występują wiązania kowalencyjne.

Dla soli oraz niektórych wodorotlenków dane uzyskane z pomiaru rozpuszczalności są różne. Wzorce te stanowią podstawę zasad przedstawionych w tabeli rozpuszczalności, która może wskazywać, czy dana sól rozpuszcza się w wodzie. Zasady te opierają się na następujących definicjach terminów: rozpuszczalny, nierozpuszczalny i słabo rozpuszczalny.

RgUd363Hv7sQX1
Tabela rozpuszczalności soli i wodorotlenków w wodzie
Źródło: GroMar Sp. z o.o., na podstawie Eskamedia Szkoła, licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

oktet
oktet

układ ośmiu elektronów walencyjnych

dublet
dublet

układ dwóch elektronów walencyjnych

liczba koordynacyjna
liczba koordynacyjna

liczba najbliższych atomów lub jonów otaczających dany atom lub jon w sieci przestrzennej kryształu albo liczba ligandów związana z atomem centralnym w związkach koordynacyjnych

energia sieci
energia sieci

energia potrzebna do oddzielenia 1 mola krystalicznej substancji jonowej od jej składowych jonów w fazie gazowej; jest ona wprost proporcjonalna do iloczynu ładunków jonowych i odwrotnie proporcjonalna do sumy promieni jonów

skala twardości Mohsa
skala twardości Mohsa

[wym. mo:za]; powszechnie używana skala służąca do określania względnej twardości minerałów

elektrolit
elektrolit

(gr. ḗlektron – ,,bursztyn”, lytós – ,,rozpuszczalny”) przewodnik elektryczny jonowy (zwany też przewodnikiem drugiego rodzaju), w którym poruszające się jony przenoszą ładunki elektryczne i przewodzenie prądu zawsze jest związane z transportem masy

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorska M., Kańska M., Chemia 3, Warszawa 2012.

Encyklopedia PWN

McMurry J., Chemia organiczna, Warszawa 2005.

Pfennign B. W., Principles of Inorganic Chemistry, New Jersey 2015.

Sieniawski J., Cyunczyk A., Struktura ciał stałych, Rzeszów 2008.

Usnalski W., Chemia w szkole średniej, Warszawa 1998.