Przeczytaj
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 (oktetoktet lub dubletdublet 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.
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.
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.
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 |
1034 | |
840,1 | |
914,2 | |
770,3 | |
728,4 | |
680,7 |
Warto zatem prześledzić właściwości związków posiadających wiązanie jonowe.
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 koordynacyjnejliczby 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.
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 ), ze względu na podwójny ładunek anionu tlenu, wykazują szczególnie wysokie temperatury topnienia.
Dla związków (fluorek sodu) oraz (tlenek wapnia) rozmiary jonów są w przybliżeniu takie same: (102 pm) w porównaniu z (100 pm) i (133 pm) kontra (140 pm). Napisz, z czego wynika różnica w temperaturach topnienia tych związków?
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 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.
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.
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.
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.
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.
Słownik
układ ośmiu elektronów walencyjnych
układ dwóch elektronów walencyjnych
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 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
[wym. mo:za]; powszechnie używana skala służąca do określania względnej twardości minerałów
(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.