RFVVBOa0JdNMd1

Ilustracja przedstawia atomowy model kryształku chlorku sodu, czyli soli kamiennej. Z lewej strony widoczny jest sześcian składający się z zielonych większych i szarych mniejszych kulek złożonych w regularny deseń. Po prawej stronie znajduje się legenda do tego modelu: mniejsze kulki szare opisane są jako jony Na+, a większe zielone jako Cl-.

1. Powstawanie jonów

Większość pierwiastków chemicznych nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz tworzy z innymi pierwiastkami związki chemiczne. Tylko nieliczne substancje proste występują w postaci pojedynczych atomów. Należą do nich gazy szlachetne, czyli pierwiastki chemiczne należące do 18. grupy układu okresowego (helowce). Ich stosunkowo trwała konfiguracja elektronowa jest wzorem dla innych pierwiastków. Podczas tworzenia typowych wiązań chemicznych atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej, jaką ma najbliższy im w układzie okresowym helowiec. Odbywa się to w różny sposób. Atomy pierwiastków mogą uwspólniać elektrony. Mogą także je oddawać innym atomom pierwiastków bądź je od nich przyjmować. W wyniku tych procesów z atomów powstają jonyjonjony.

R9rYwQf2Esxs61

Schemat opisujący powstawanie jonu z atomu. Z lewej strony znajduje się słowo Atom, zaś z prawej Jon. Od Atomu do Jonu prowadzą dwie odrębne strzałki. Jedna opisana została jako Oddanie elektronu, a druga Przyjęcie elektronu.

2. Jak powstaje jon sodu?

W wyniku przekazania elektronu z atomu sodu powstaje jon. Jak pamiętasz, w każdym atomie dodatni ładunek jądra jest równy ujemnemu ładunkowi chmury elektronowej (liczba protonów jest równa liczbie elektronów), a atom jest elektrycznie obojętny. Zauważ, że w jonie sodu liczby protonów i elektronów nie są identyczne: w jądrze atomowym występuje 11 protonów, a w przestrzeni wokół jądra porusza się 10 elektronów. Zatem 1 proton nie jest „zrównoważony” przez elektron. Dlatego cały jon ma ładunek protonu (o wartości równej elementarnemu ładunkowi dodatniemu). O jonie sodu mówi się, że jest dodatni. Jon ten opisuje się za pomocą znaku „+” przy symbolu pierwiastka chemicznego: ${\mathrm{Na}}^{+}$.

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu.

R1UqXCbMe1Yfh1

Schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu sodu w postaci czerwonego koła podpisanego 11p oraz towarzyszącego mu biało-fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: 2 elektrony na pierwszej powłoce, 8 elektronów na drugiej powłoce i jeden elektron na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 11, liczba elektronów równa 11. Atom Na. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana Oddanie elektronu. Po prawej stronie ponownie widoczny jest rysunek przedstawiający strukturę atomu sodu, ale już z dwiema powłokami elektronowymi mającymi kolejno dwa i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 11, liczba elektronów równa 10. Jon Na+.

Mechanizm powstawania dodatniego jonu sodu można zapisać przy użyciu wzoru elektronowego lub tylko symbolu pierwiastka chemicznego:

Proces powstawania jonów sodu możemy także przedstawić, posługując się konfiguracjami elektronowymi atomu i jego jonu:

Atom sodu ma 11 elektronów. Jeden z nich zajmuje ostatnią powłokę. Po jego oddaniu atom sodu ma 10 elektronów i konfigurację elektronową najbliższego mu w układzie okresowym gazu szlachetnego – neonu. Dzięki temu zyskuje oktet elektronowy – trwałą konfigurację.

3. Jak powstaje jon chloru?

W wyniku przyjęcia elektronu przez atom chloru powstaje jon. Z uwagi na obecność dodatkowego elektronu jon ten jest obdarzony ładunkiem ujemnym (o wartości równej elementarnemu ładunkowi ujemnemu). Opisuje się go za pomocą znaku „–” przy symbolu pierwiastka chemicznego: ${\text{Cl}}^{-}$

Proces powstawania tego jonu można opisać równaniami:

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu.

R1eHCzdQyjciC1

Schemat opisujący zmianę konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu chloru w postaci czerwonego koła podpisanego 17p oraz towarzyszącego mu biało-fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: 2 elektrony na pierwszej powłoce, 8 elektronów na drugiej powłoce i siedem elektronów na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 17, liczba elektronów równa 17. Atom Cl. Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana przyjęcie elektronu. Po prawej stronie ponownie widoczny jest rysunek przedstawiający strukturę atomu chloru z trzema powłokami elektronowymi mającymi kolejno dwa, osiem i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 17, liczba elektronów równa 18. Jon Cl-.

Jak pamiętasz, atom chloru w cząsteczkach ${\text{Cl}}_{\text{2}}$ czy $\text{HCl}$, aby osiągnąć oktet elektronowy, uwspólnia jeden elektron z innym atomem. Jednak w obecności atomu sodu zachowuje się inaczej – przyjmuje od niego elektron na swoją zewnętrzną powłokę. Liczba jego elektronów zwiększa się wówczas o 1 i atom zyskuje konfigurację elektronową właściwą dla argonu, który w układzie okresowym jest położony zaraz za chlorem.

4. Rodzaje jonów

Jony o ładunku dodatnim nazywa się kationamikationkationami, natomiast te o ładunku ujemnym – anionamianionanionami. Jon sodu, który powstał w wyniku oddania przez atom sodu elektronu, jest kationem. Z kolei atom chloru, który przyjął elektron, staje się anionem.

Atomy metali (szczególnie tych należących do 1. i 2. grupy układu okresowego) tworzą kationy. Atomy niektórych niemetali mogą w wyniku przyjęcia elektronów tworzyć aniony.

RrNiAt56eHWCX1

Schemat przedstawia proces przekształcania się atomów w jony i ma postać grafu. Centralną górną część zajmuje żółto-czerwone koło podpisane jako Atom. Odchodzą od niego dwie strzałki skierowane w stronę kół żółto-zielonego w lewym dolnym rogu podpisanego Anion oraz żółto-niebieskiego w prawym dolnym rogu podpisanego Kation. Dodatkowe informacje zawarte w schemacie głoszą, że anion to jon ujemny w którym liczba protonów jest mniejsza od liczby elektronów, a powstaje w wyniku przyjęcia elektronu przez atom, zaś kation to jon dodatni o liczbie protonów większej od liczby elektronów i powstaje w wyniku oddania elektronu przez atom.

5. Jakie wartości ładunków mogą mieć jony?

Atomy mogą oddawać i przyjmować więcej niż 1 elektron.

Jon magnezu

W atomie magnezu ($\text{Z = 12}$) znajduje się 12 protonów i tyle samo elektronów. Podczas oddziaływań z innymi atomami atom $\text{Mg}$ może „pozbyć się” 2 elektronów tworzących jego zewnętrzną powłokę elektronową. W powstałym jonie liczba elektronów zmniejsza się i występuje w nim nadmiar ładunków dodatnich (12 p) w stosunku do ujemnych (10 ${\text{e}}^{-}$). Dlatego jon magnezu jest kationem, a jego ładunek jest równy dwóm elementarnym ładunkom dodatnim. O takich kationach mówi się, że są dwudodatnie i zapisuje w następujący sposób: ${\text{Mg}}^{\text{2+}}$.

Proces powstawania jonów magnezu można przedstawić za pomocą równania:

Zmiany w konfiguracjach elektronowych atomu i kationu magnezu są następujące:

Zauważ, że kation magnezu osiągnął uznawaną za trwałą konfigurację elektronową neonu ($\text{Z = 10}$).

Jon siarczkowy

Atom siarki tworzy dwuujemny jon.

Jon glinu

Atom glinu tworzy jony glinu o wzorze ${\text{Al}}^{\text{3+}}$. Liczba „3+” oznacza, że powstały jon jest kationem, który utworzył się po oddaniu przez atom glinu 3 elektronów. Powstawanie jonu glinu można opisać następującym równaniem:

Po uwzględnieniu konfiguracji elektronowej ma ono postać:

Konfiguracja elektronowa w kationie glinu jest taka sama jak w atomie neonu ($\text{Z = 10}$).

6. Porównanie atomów i jonów

Po przyjęciu lub oddaniu 1 lub więcej elektronów atomy zmieniają swoje rozmiary. Kationy mają mniejszy promień niż atomy, z których powstają, natomiast aniony – większy.

Porównaj cechy budowy wybranych atomów i ich jonów.

7. Wiązanie jonowe (struktura jonowa)

Dążenie do osiągania konfiguracji elektronowej najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego to podstawowa przyczyna powstawania wiązań chemicznych. Atomy niektórych pierwiastków, aby osiągnąć odpowiednią liczbę elektronów na ostatniej powłoce, tworzą wspólne pary elektronowe, inne – oddają lub przyjmują elektrony. Przykładem związku chemicznego, który może powstać w wyniku oddawania i przyjmowania elektronów, jest chlorek sodu $\text{NaCl}$, czyli sól kuchenna.

Mechanizm powstawania jonów z atomów sodu i chloru można opisać następująco:

RQIR3Q4jtxvI31

Schemat powstawania jonów z atomów sodu i chloru podczas reakcji łączenia się tych pierwiastków w cząsteczki chlorku sodu. Na ilustracji po lewej stronie prezentowane są elektrycznie obojętne atomy sodu i chloru z zaznaczoną za pomocą zapisu z kropkami liczbą elektronów walencyjnych. Znajdujący się pomiędzy nimi znak plus wskazuje na równanie reakcji chemicznej. Wygięta niebieska strzałka wiedzie od jedynego elektronu walencyjnego sodu do wolnego miejsca przy siódmym elektronie walencyjnym chloru. Następnie pojawia się długa pozioma strzałka skierowana w prawo, znak przeprowadzanej reakcji. Po prawej stronie równania znajduje się związek NaCl zapisany z uwzględnieniem ładunków jonów - przy Na znak plus, czy Cl znak minus - oraz informacji o atomach na powłoce walencyjnej. Przy symbolu sodu nie ma żadnych kropek, a wokół symbolu chloru znajduje się pełen oktet.

Każdy z atomów pierwiastków w chlorku sodu osiąga konfigurację elektronową najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego: kation sodu – neonu, anion chlorkowy – argonu.

Chlorek sodu ma inne właściwości niż sód i chlor, pierwiastki chemiczne, z których został utworzony. Chlorek sodu jest zbudowany z kationów sodu i anionów chlorkowych, które jako jony o przeciwnych znakach wzajemnie się przyciągają siłami elektrostatycznymi. Tego rodzaju połączenia w związkach chemicznych nazywa się wiązaniami jonowymi.

R1XSYwmphJux01

Zdjęcie przedstawia szczelnie zakorkowaną szklaną butlę wypełnioną gazem o żółtawej barwie.

RFhAVCBVh2jRK1

Zdjęcie przedstawia nieregularne kawałki srebrnego metalu o równych, gładkich krawędziach.

R1FO54j34UULS1

Zdjęcie przedstawia dwa niewielkie kopczyki chlorku sodu, czyli soli kamiennej - białej substancji składającej się z bardzo drobnych kryształków usypane na czarnym podłożu.

Wiązanie jonowewiązanie jonoweWiązanie jonowe to rodzaj wiązania chemicznego, które powstaje w wyniku przyciągania się jonów o przeciwnych znakach. O związkach chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe, mówi się, że są to związki jonowe. Jony o tym samym ładunku odpychają się, a więc nie mogą znajdować się obok siebie. Z tego powodu w związku jonowym kationy i aniony są ułożone naprzemiennie. Struktura, którą tworzą, jest nazywana kryształem jonowym. W krysztale związku jonowego każdy kation otoczony jest przez aniony, a każdy anion – przez kationy.

8. Jak zbudowane są związki jonowe?

Związki jonowe są zbudowane z jonów o przeciwnych znakach. Jony te przyciągają się w wyniku sił elektrostatycznych. Związek jonowy – chlorek sodu – w temperaturze pokojowej jest substancją stałą składającą się z naprzemiennie ułożonych jonów sodu i chlorkowych. Liczby kationów i anionów w kryształach związków jonowych są takie, że w efekcie kryształ jest elektrycznie obojętny (nie jest obdarzony ładunkiem elektrycznym). W przypadku chlorku sodu na jeden kation sodu ${\text{Na}}^{\text{+}}$ przypada jeden anion chlorkowy ${\text{Cl}}^{-}$. Wzór sumaryczny tego związku to $\text{NaCl}$. Zapis: ${{\text{Na}}^{\text{+}}\text{Cl}}^{-}$ podkreśla, że związek ten jest złożony z jonów.

Związki jonowe nie są zbudowane z cząsteczek. W ich kryształach można wyróżnić najmniejszy zbiór powtarzających się kationów i anionów, który odpowiada wzorowi sumarycznemu związku.

RFVVBOa0JdNMd1

Ilustracja przedstawia atomowy model kryształku chlorku sodu, czyli soli kamiennej. Z lewej strony widoczny jest sześcian składający się z zielonych większych i szarych mniejszych kulek złożonych w regularny deseń. Po prawej stronie znajduje się legenda do tego modelu: mniejsze kulki szare opisane są jako jony Na+, a większe zielone jako Cl-.

Innym przykładem związku jonowego jest chlorek magnezu, zbudowany z kationów magnezu ${\mathrm{Mg}}^{2+}$ oraz anionów chlorkowych ${\text{Cl}}^{-}$.

RYUihPbkCrKLV1

Zdjęcie przedstawiające szalkę petriego oglądaną od góry. W naczyniu znajduje się niewielka porcja białych, pozlepianych ze sobą kryształków. Jest to chlorek magnezu.

Jak każdy związek jonowy chlorek magnezu jest zbudowany z naprzemiennie ułożonych jonów: kationów i anionów.

R1U1s330ZWuMW1

Ilustracja przedstawia schematyczny rysunek budowy cząsteczki chlorku magnezu. Pomiędzy dwoma większymi kulami o zielonej barwie symbolizującymi aniony chlorkowe Cl- znajduje się mniejsza, szara kulka symbolizująca kation magnezu Mg2+.

Wzór sumaryczny chlorku magnezu to: ${\text{MgCl}}_{\text{2}}$.

Budowę jonową ma także chlorek glinu. Jest to substancja składająca się z kationów glinu ${\text{Al}}^{\text{3+}}$ i anionów chlorkowych ${\text{Cl}}^{-}$. W krysztale, który tworzy, na 1 trójdodatni jon glinu ${\text{Al}}^{\text{3+}}$ przypadają 3 jednoujemne jony chlorkowe ${\text{Cl}}^{-}$. Dlatego wzór sumaryczny tego związku chemicznego to: ${\mathrm{AlCl}}_3$.

Wiązania jonowe powstają między metalami a niektórymi niemetalami.

9. Substancje jonowe a substancje kowalencyjne

Związki chemiczne zbudowane z jonów różnią się od związków, które występują w postaci cząsteczek. Związki jonowe (zawierające wiązania jonowe) są tworzone w wyniku oddziaływań metali z niemetalami. Natomiast związki kowalencyjne (zawierające wiązania kowalencyjne) powstają z niemetali.

R1FO54j34UULS1

Zdjęcie przedstawia dwa niewielkie kopczyki chlorku sodu, czyli soli kamiennej - białej substancji składającej się z bardzo drobnych kryształków usypane na czarnym podłożu.

RYUihPbkCrKLV1

Zdjęcie przedstawiające szalkę petriego oglądaną od góry. W naczyniu znajduje się niewielka porcja białych, pozlepianych ze sobą kryształków. Jest to chlorek magnezu.

Rt8NaEPlTzknY1

Zdjęcie przedstawia stolik z przezroczystym zamkniętym naczyniem szklanym. Za nim stoi butla z gazem zaopatrzona w zawór opisana symbolem dwutlenku węgla CO2.

R1VybVdQFTsAf1

Zdjęcie przedstawia palące się niebieskim płomieniem dwa palniki domowej kuchenki gazowej. Zgodnie z opisem głównym składnikiem gazu ziemnego jest związek kowalencyjny o nazwie metan.

RCt7uQGVnAMFc1

Zdjęcie przedstawia szklankę wypełnioną wodą stojącą na szarym tle.

RSUepc0AbI53T1

Zdjęcie przedstawia łyżeczkę wypełnioną cukrem spożywczym na tle cukierniczki. Głównym składnikiem tego cukru jest związek kowalencyjny zwany sacharozą.

Związki jonowe w temperaturze pokojowej są substancjami stałymi o wysokich temperaturach topnienia i wrzenia. W tych samych warunkach niektóre związki kowalencyjne są gazami, inne – substancjami stałymi, a jeszcze inne – cieczami. Mają zwykle znacznie niższe temperatury wrzenia i topnienia niż związki jonowe. Większość związków jonowych, w przeciwieństwie do kowalencyjnych, bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie.

R10QKzioNTjgd1

Zdjęcie, na którym widać zlewkę ze 100 g wody, a obok niej w szklanym naczyniu wagowym lub szkiełku zegarkowym znajduje się 36g chlorku sodu.

RaQWSQ2ImurMg1

Zdjęcie, na którym widać zlewkę ze 100 g wody, a obok niej w szklanym naczyniu wagowym lub szkiełku zegarkowym znajduje się 54,5 g chlorku magnezu.

RaouP8EWo4RGg1

Ilustracja ilustrująca rozpuszczalność substancji w wodzie w temperaturze pokojowej. Zdjęcie przedstawia zlewkę wypełnioną wodą do kreski oznaczającej pojemność 100 mililitrów oraz strzykawkę z odciągniętym tłoczkiem. W prawym górnym rogu znajduje się zbliżenie na tłoczek i miarkę. Pozycja tłoczka wskazuje objętość gazu wewnątrz strzykawki wynoszącą 93 centymetry sześcienne. Podpis pod zdjęciem sugeruje, że taką objętość mają 23 gramy dwutlenku węgla.

Ciekawostka

Diament jest wyjątkowym przykładem substancji kowalencyjnej. Jest zbudowany z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Wiązania te tworzą sieć obejmującą cały kryształ. Diament nie rozpuszcza się w wodzie, ale poza tym nie ma właściwości charakterystycznych dla substancji kowalencyjnych. Jego temperatury wrzenia i topnienia są bardzo wysokie, podobnie jak związków jonowych.

RE7hWhFq4q6JB1

Zdjęcie przedstawia idealnie bezbarwny, nieoszlifowany diament w kształcie nieregularnego stożka na czarnym tle.

RjSp7SQVdqSiT1

Ilustracja przedstawia strukturę atomów węgla w krysztale diamentu. Czarne kulki symbolizujące atomy połączone są czerwonymi liniami dla oznaczenia wiązań kowalencyjnych. Struktura wewnętrzna kryształu diamentu, mimo pozornego skomplikowania jest bardzo regularna, a każdy atom węgla jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z czterema takimi samymi atomami.

Podsumowanie

• Jony powstają z atomów, które oddały lub przyjęły co najmniej 1 elektron.

• Jony obdarzone ładunkiem dodatnim to kationy; powstają z atomów po oddaniu co najmniej 1 elektronu.

• Jony obdarzone ładunkiem ujemnym to aniony; powstają z atomów, które przyjęły co najmniej 1 elektron.

• Kationy powstają głównie z atomów metali, aniony zaś – m.in. z atomów niektórych niemetali.

• Związki jonowe są zbudowane z naprzemiennie ułożonych kationów i anionów, które tworzą uporządkowaną strukturę nazywaną kryształem jonowym.

• W krysztale związku jonowego jony o przeciwnych znakach wzajemnie się przyciągają w efekcie działania sił elektrostatycznych.

• Związki kowalencyjne zwykle składają się z cząsteczek.

• Związki jonowe najczęściej mają wyższe temperatury wrzenia i topnienia w stosunku do związków kowalencyjnych; są także zazwyczaj lepiej rozpuszczalne w wodzie w porównaniu z substancjami zbudowanymi z cząsteczek.

Słowniczek

Zadania