Jaki będzie efekt umieszczenia w cylindrze z chlorem kawałka sodu?

R10ZhX3n207QJ

Ilustracja przedstawia dwie kolby Erlenmayera zatkane korkiem i oddzielone strzałką skierowaną w prawo. W pierwszej z nich znajduje się gazowy chlor raz metaliczny sód, a w prawej kryształy soli.

Umieszczony w zamkniętym naczyniu z chlorem kawałek sodu, po jakimś czasie pokrywa się białym nalotem, a następnie rozpada się i powstaje biała, krystaliczna substancja.

Co się dzieje z atomami, gdy sód i chlor reagują ze sobą?

Atom sodu oddaje elektron i powstaje kation ${\text{Na}}^{+}$, o konfiguracji elektronowej identycznej jak atom neonu. Kation ma mniejszy promień niż atom, z którego powstał.

R1CTUkb8n2GMr

Na ilustracji przedstawiono dwie fioletowe kulki oddzielone strzałką skierowaną w prawo i podpisane: ta po lewej <math aria‑label="N a">Na, po prawej ${\text{Na}}^{\text{+}}$. Po lewej stronie kulka ma promień $r$ $1$, i jest większa niż ta po prawej z promieniem $r$ $2$; Z atomu <math aria‑label="N a">Na usuwany jest jeden elektron. Tekst pod atomem <math aria‑label="N a">Na: $11$ protonów, $11$ elektronów. Tekst pod kationem ${\text{Na}}^{\text{+}}$: $11$ protonów, $10$ elektronów.

Atom chloru przechwytuje elektron i powstaje anion ${\text{Cl}}^{-}$, o konfiguracji identycznej jak atom argonu. Anion ma większy promień niż atom, z którego powstał.

R1NDdNjLfjRMs

Na ilustracji przedstawiono dwie zielone kulki oddzielone strzałką skierowaną w prawo i podpisane: ta po lewej $\text{Cl}$, po prawej ${\text{Cl}}^{-}$. Po lewej stronie kulka ma promień $r$ $1$ i jest mniejsza niż ta po prawej z promieniem $r$ $2$. Do atomu przyłączany jest jeden elektron. Tekst pod atomem : $17$ protonów, $17$ elektronów. Tekst pod anionem ${\text{Cl}}^{-}$: $17$ protonów, $18$ elektronów.

Kation sodu i anion chlorkowychlorkichlorkowy oddziałują na siebie siłami elektrostatycznymi – tworzy się wiązanie jonowewiązanie jonowewiązanie jonowe.

Procesy zachodzące podczas reakcji sodu i chloru można zapisać następującymi równaniami:

• tworzenie się kationu sodu:

• powstawanie anionu chlorkowego:

• reakcja sumaryczna:

R1cmQgxJyLbR7

Ilustracja przedstawia kryształ jonowy chlorku sodu, w którym kationy sodu (fioletowe kulki) i aniony chloru (zielone kulki) są ułożone naprzemiennie i tworzą sześcian.

Ciekawostka

Do wyjaśnienia mechanizmu tworzenia się wiązania pomiędzy atomami, można także posłużyć się stosowanymi w modelu kwantowo‑mechanicznym diagramami poziomów energetycznych. Pomiędzy atomami następuje przeniesienie elektronu z poziomu $3s$ w atomie sodu, na poziom $3p$ atomu chloru i tworzą się jony ${\text{Na}}^{+}$ i ${\text{Cl}}^{-}$. W ten sposób i $\mathrm{Na}$, i $\mathrm{Cl}$ osiągają stabilny stan, w którym zewnętrzna powłoka jest zapełniona. Przeciwne ładunki ${\text{Na}}^{+}$ i ${\text{Cl}}^{-}$ przyciągają się, tworząc związek chemiczny $\text{NaCl}$.

RehnDMoqP64Bz

Na ilustracji przedstawiono reakcję pomiędzy sodem a chlorem w wyniku której powstaje sól ${\text{Na}}^{\text{+}}{\text{Cl}}^{\text{-}}$. Atomy przedstawiono za pomocą kulek: sodu fioletowych, chloru zielonych. Pod równaniem reakcji rozpisano konfiguracje elektronowe na orbitalach 3s i 3p wszystkich indywiduów chemicznych. Z orbitalu 3s atomu sodu jeden elektron jest przeniesiony na orbital 3p atomu chloru. W ten sposób orbitale 3s i 3p kationu sodu są niezapełnione, a na tych samych orbitalach aniony chlorkowego rozmieszczonych jest 8 elektronów.

Indeks dolny Źródło: Moore J. T., Chemia dla bystrzaków, Gliwice 2015, s. 197. Indeks dolny koniec_{Źródło: Moore J. T., Chemia dla bystrzaków, Gliwice 2015, s. 197.}

Chlor reaguje bezpośrednio także z glinem, tworząc chlorek glinu ${\text{AlCl}}_3$, a właściwie ${\text{Al}}_2{\text{Cl}}_6$.  Chlorek glinu dimeryzuje, ponieważ wolny atom glinu posiada 3 elektrony walencyjne: $3s^{2}3p^1$, które oddaje, tworząc kation ${\text{Al}}^{3+}$ o konfiguracji atomu neonu. Inną możliwością jest uzyskanie konfiguracji atomu argonu poprzez utworzenie trzech wiązań przez uwspólnienie trzech elektronów walencyjnych. Do uzyskania oktetu wykorzystana zostaje jedna z wolnych par elektronów atomu chloru. W efekcie powstają dwa mostki chlorkowe $\text{Al}—\text{Cl}—\text{Al}$.

RdJO3Rlhne4Hq

Ilustracja przedstawia strukturę krystaliczną chlorku glinu. Po lewej stronie model kulkowy po prawej struktury, jaką tworzą podstawowe jednostki. Glin przedstawiono jako niebieskie kulki, a chlor jako zielone. Jeden atom glinu łączy wiązanie z ośmioma atomami chloru. Tworzą bipiramidę tetragonalną co przedstawiono po prawej stronie ilustracji.

Gdy do naczynia z chlorem wsypiemy rozgrzane opiłki żelaza, nastąpi gwałtowna reakcja, której produktem jest chlorek żelaza($\text{III}$).

Chlorki metali są podstawowymi surowcami przemysłu chemicznego (m.in. produkcja sody, kwasu solnego, chloru), stosowane są również szeroko w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym oraz optoelektronicznym. Niektóre z nich można znaleźć w przyrodzie w postaci złóż (np. $\text{NaCl}$ jako sól kamienna), a nawet roztworów (np. w wodzie morskiej). Najważniejsze z nich to: chlorki cynku, rtęci($\text{I}$), sodu, srebra, wapnia, żelaza($\text{III}$).

RUtLvtM8iQtIm

Ilustracja przedstawia strukturę kryształu chlorku żelaza. Kryształy te tworzą sieć heksagonalną.

W rzeczywistości czyste wiązanie jonowe ($100\%$) nie istnieje. Udział charakteru jonowego wiązania zależy od różnicy elektroujemności pierwiastków, które je tworzą. Im większa różnica elektroujemności, tym większy udział wiązania jonowego. Im mniejsza, tym większy udział wiązania kowalencyjnegowiązanie kowalencyjnewiązania kowalencyjnego. W praktyce przyjmuje się, że wiązanie w chlorku glinu czy chlorku żelaza($\text{III}$) jest wiązaniem bardziej kowalencyjnym niż jonowym, ale w przypadku ${\text{MgCl}}_2$ przyjmujemy, że sól ta ma charakter jonowy.

Rvq6BHcNzqNce

Na ilustracji znajduje się wykres przedstawiający zależność między udziałem charakteru jonowego a różnicą elektroujemności. Na osi poziomej opisano różnicę elektroujemności, na pionowej udział charakteru jonowego. Krzywa wyznaczona przez związki zaczyna się od wartości bliskiej punktowi 0,0, i wzrastając kończy dla niemal 100% charakteru jonowego i wartości elektroujemności około 3,75. Dla 50% udziału wiązania jonowego poprowadzono poziomą linię rozgraniczającą wiązanie kowalencyjne, u dołu i wiązanie jonowe u góry. W przedziale różnicy elektroujemności 0 do 1 i 0 do 25% udziału charakteru wiązania jonowego umieszczono kolejno: chlor, bromek jodu, jodowodór, chlorek jodu, bromowodór chlorowodór. Dla wartości różnicy elektroujemności około 2 i niemal 50% udziału charakteru wiązania jonowego znajduje się fluorowodór. Powyżej granicy wiązania kowalencyjnego i jonowego znajdują się kolejno: jodek litu, jodek sodu, chlorek litu, bromek potasu, chlorek sodu, chlorek potasu, fluorek sodu, fluorek litu, fluorek potasu.

Suchy chlor jest aktywny chemicznie, a jego aktywność wzrasta w obecności wilgoci (wody) i wykazuje tak silne właściwości utleniające, że może utleniać miedź i złoto.

Chlorek glinu ${\text{AlCl}}_3$ stosowany jest w syntezach organicznych jako katalizator.

RnPT6OGu6adOd

Ilustracja przedstawia równanie reakcji pomiędzy benzenem a propenem w obecności chlorku glinu. Od lewej: cząsteczka benzenu przedstawiona jako sześciokąt, w którym co drugie wiązanie jest podwójne. znak plus. propen: grupa ${\text{CH}}_{\text{3}}$ połączona wiązaniem pojedynczym z grupą CH, która łączy się z grupą ${\text{CH}}_{\text{2}}$ wiązaniem podwójnym. Strzałka skierowana w prawo, nad strzałką ${\text{AlCl}}_{\text{3}}$. Po prawej stronie równania produkt: kumen czyli 2-fenylopropan o następującej budowie: sześciokąt, w którym co drugie wiązanie jest podwójne, do jednego z naroży sześciokąta przyłączono jeden atom węgla łańcuch alkilowy rozgałęziający się na dwie grupy ${\text{CH}}_{\text{3}}$.

Słownik

Bibliografia

Atkins P. Jones L., Chemia ogólna, Warszawa 2004.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1987, s. 571‑574.

Litwin M., Styka‑Wlazła Sz., Szymońska J., Chemia ogólna i nieorganiczna. Podręcznik dla liceum, cz. 1, Warszawa 2004, s. 59.

Piosik R., Karawajczyk B. Technika demonstracji i ćwiczenia laboratoryjne z metodyki nauczania chemii i ochrony środowiska, Gdańsk 2004, s. 790‑81.