Wiązanie jonowe
Producenci wód mineralnych, jogurtów czy suplementów diety zachęcają klientów do kupna swoich produktów, posiłkując się takimi hasłami, jak: „Zawiera podwójną dawkę magnezu” albo „Produkt o obniżonej zawartości sodu” lub „Zawiera wapń”. W jakiej postaci wymienione metale występują zwykle w artykułach spożywczych?
definicję związków chemicznych;
zapis konfiguracji elektronowej atomów pierwiastków chemicznych;
sposoby oddziaływania między atomami.
wyjaśniać, czym są jony (kationy i aniony);
przedstawiać, w jaki sposób z atomów powstają jony;
opisywać, w jaki sposób powstaje wiązanie jonowe;
porównywać właściwości związków jonowych i kowalencyjnych.
1. Powstawanie jonów
Większość pierwiastków chemicznych nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, tylko tworzy z innymi pierwiastkami związki chemiczne. Nieliczne substancje proste występują w postaci pojedynczych atomów. Należą do nich tzw. gazy szlachetne, czyli pierwiastki chemiczne należące do grupy układu okresowego (helowce). Ich stosunkowo trwała konfiguracja elektronowa jest wzorem dla innych pierwiastków.
Podczas tworzenia typowych wiązań chemicznych atomy pozostałych pierwiastków, zazwyczaj 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 przyjmowania i oddawania elektronów, z atomów powstają jonyjony.
2. Jak powstaje jon sodu?
W wyniku oddania elektronu przez atom sodu powstaje jon. Jak pamiętasz, w każdym atomie dodatni ładunek jądra jest równy ujemnemu ładunkowi chmury elektronowej (liczba protonów jest równa liczbie elektronów), a sam atom jest elektrycznie obojętny. Zauważ, że w jonie sodu liczby protonów i elektronów nie są identyczne – w jądrze atomowym występuje protonów, a w przestrzeni wokół jądra porusza się elektronów. Zatem jeden proton nie jest „zrównoważony” przez elektron, stąd cały jon ma ładunek protonu (o wartości równej elementarnemu ładunkowi dodatniemu). O jonie sodu mówi się, że jest dodatni. Opisuje się go za pomocą znaku „+” przy symbolu pierwiastka chemicznego: .
Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu.
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 elektronów, z czego całkowicie zapełnia dwie pierwsze powłoki elektronowe – K i L. Jedenasty elektron zajmuje trzecią powłokę elektronową – powłokę M. Po oddaniu tego elektronu powstaje jon, który ma elektronów rozmieszczonych tylko na dwóch powłokach elektronowych – K i L. Rozmieszczenie elektronów na tych powłokach nie ulegało zmianie w czasie przemiany atomu sodu w jon sodu. W ten sposób jon sodu uzyskuje trwałą konfigurację elektronową, która odpowiada leżącemu najbliżej w układzie okresowym gazowi szlachetnemu, czyli neonowi.
3. Jak z atomu chloru tworzy się jon?
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: .
Proces powstawania tego jonu można opisać równaniami:
Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu.
Jak pamiętasz, atom chloru w takich cząsteczkach, jak czy , uwspólnia jeden elektron z drugim atomem chloru lub atomem wodoru. Jednak w obecności atomu sodu zachowuje się inaczej – przyjmuje od niego elektron na swoją zewnętrzną powłokę. Atom chloru ma elektronów. Podobnie jak w przypadku atomu sodu, z nich całkowicie zapełnia dwie pierwsze powłoki elektronowe – K i L. Siedem elektronów z kolei zajmuje trzecią powłokę elektronową – powłokę M. Po przyjęciu jednego elektronu od atomu sodu powstaje jon, który ma osiem elektronów rozmieszczonych na ostatniej powłoce – M. W ten sposób jon chloru uzyskuje trwałą konfigurację elektronową, która odpowiada leżącemu najbliżej w układzie okresowym gazowi szlachetnemu – argonowi.
Dokończ poniższe zdanie.
4. Rodzaje jonów
Jony o ładunku dodatnim określa się kationamikationami, natomiast te o ładunku ujemnym – anionamianionami. Jon sodu, który powstał w wyniku oddania przez atom sodu elektronu, jest kationem. Nazywamy go wówczas kationem sodu. Z kolei atom chloru, który przyjął elektron, staje się anionem. Nazywamy go wówczas anionem chlorkowym.
Atomy metali (szczególnie tych należących do i grupy układu okresowego) tworzą kationy. Atomy niektórych niemetali (zwłaszcza i grupy układu okresowego) mogą w wyniku przyjęcia elektronów tworzyć aniony.
5. Jakie wartości ładunków mogą mieć jony?
Atomy mogą oddawać lub przyjmować więcej niż jeden elektron.
Jon magnezu
W atomie magnezu (o liczbie atomowej Z = ) znajduje się protonów i tyle samo elektronów. Podczas oddziaływań z innymi atomami atom magnezu może oddać dwa elektrony znajdujące się na powłoce walencyjnej. W powstałym wówczas jonie liczba elektronów zmniejsza się o dwa i występuje w nim nadmiar ładunków dodatnich ( protonów) w stosunku do ujemnych ( elektronów). Dlatego jon magnezu jest kationem, a jego ładunek jest równy dwóm elementarnym ładunkom dodatnim. Nazywamy go zatem kationem magnezu. O takich kationach mówi się, że są dwudodatnie i zapisuje w następujący sposób: .
Proces powstawania jonów magnezu można przedstawić za pomocą równania:
Zmiany w konfiguracjach elektronowych atomu i kationu magnezu są następujące:
Zauważ, że kation magnezu osiągnął trwałą konfigurację elektronową neonu (o liczbie atomowej Z = ).
Jon siarczkowy
Atom siarki tworzy dwuujemny jon i nazywamy go anionem siarczkowym.
Jon glinu
Atom glinu tworzy jony glinu o wzorze . Liczba „” oznacza, że powstały jon jest kationem, który utworzył się po oddaniu przez atom glinu trzech elektronów. Powstawanie jonu glinu można opisać następującym równaniem:
Po uwzględnieniu konfiguracji elektronowej ma ono postać:
Konfiguracja elektronowa w kationie glinu jest dokładnie taka sama, jak w atomie neonu (Z = ).
6. Porównanie atomów i jonów
Po przyjęciu lub oddaniu jednego lub więcej elektronów, atomy zmieniają swoje rozmiary. Kationy mają mniejszy promień niż atomy, z których powstają, natomiast aniony mają większy.
Porównaj cechy budowy wybranych atomów i ich jonów.
Symbol pierwiastka/wzór jonu | |||||||||||
Liczba | atomowa | ||||||||||
protonów | |||||||||||
elektronów | |||||||||||
Ładunek elektryczny | jednododatni | dwudodatni | trójdodatni | dwuujemny | jednoujemny | ||||||
Nazwa | atom sodu | kation sodu | atom magnezu | kation magnezu | atom glinu | kation glinu | atom siarki | anion siarczkowy | atom chloru | anion chlorkowy | |
Konfiguracja elektronowa | |||||||||||
Symbol helowca o tej samej konfiguracji elektronowej | – | – | – | – | – |
Jeden pikometr równy jest .
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 zaś oddają lub przyjmują elektrony. Przykładem związku chemicznego, który może powstać w wyniku oddawania i przyjmowania elektronów, jest chlorek sodu , czyli sól kuchenna.
Mechanizm powstawania jonów z atomów sodu i chloru można opisać następująco:
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.
Indeks dolny Zapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii. Indeks dolny koniecZapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii.
Wiązanie jonoweWiązanie jonowe to rodzaj wiązania chemicznego, w którym jony o przeciwnych znakach się przyciągają. O związkach chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe, mówi się, że 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 niej 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: kationów sodu i anionów chlorkowych. Kryształy są elektrycznie obojętne (nie są obdarzone ładunkiem elektrycznym), ponieważ liczba kationów jest równa liczbie anionów. W przypadku chlorku sodu, na jeden kation sodu przypada jeden anion chlorkowy . Wzór sumaryczny tego związku to . Zapis podkreśla, że związek ten jest złożony z jonów.
Zwróć uwagę, że związki jonowe nie są zbudowane z cząsteczek. W ich kryształach można wyróżnić najmniejszy zbiór powtarzających się kationów i anionów, który odpowiada wzorowi sumarycznemu związku.
Innym przykładem związku jonowego jest chlorek magnezu, zbudowany z kationów magnezu oraz anionów chlorkowych .
Jak każdy związek jonowy chlorek magnezu jest zbudowany z naprzemiennie ułożonych jonów: kationów i anionów.
Wzór sumaryczny chlorku magnezu to: .
Wiązania jonowe powstają między metalami a niektórymi niemetalami.
Związek jonowy | Chlorek magnezu | Siarczek sodu |
Kation | ||
Anion | ||
Stosunek liczby kationów do liczby anionów | ||
Wzór sumaryczny związku chemicznego |
Dokończ poniższe zdanie, zaznaczając właściwe słowo.
9. Substancje jonowe a substancje kowalencyjne
Związki chemiczne zbudowane z jonów różnią się od tych, 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.
Indeks dolny Zapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii. Indeks dolny koniecZapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii.
Nazwa związku chemicznego | Temperatura topnienia (przy ciśnieniu ) | Temperatura wrzenia (przy ciśnieniu ) | Stan skupienia w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem |
Związki jonowe | |||
Chlorek sodu | substancja stała | ||
Chlorek magnezu | substancja stała | ||
Związki kowalencyjne | |||
Tlenek węgla | (pod zwiększonym ciśnieniem) | (następuje sublimacja) | gaz |
Woda | ciecz | ||
Metan (składniki gazu ziemnego) | gaz | ||
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. Związki jonowe zwykle łatwiej i lepiej rozpuszczają się w wodzie od związków kowalencyjnych. Od reguły tej jest jednak dość sporo wyjątków, które wynikają ze specyfiki budowy poszczególnych substancji. Więcej na ten temat dowiesz się w czasie kolejnych etapów swojej edukacji chemicznej.
Indeks dolny Zapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii. Indeks dolny koniecZapoznaj się z obrazami zamieszczonymi w poniższej galerii.
Diament jest wyjątkowym przykładem substancji kowalencyjnej. Jest zbudowany z atomów węgla, połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Tworzą one 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.
Podsumowanie
Jony powstają z atomów, które oddały lub przyjęły co najmniej jeden elektron.
Jony obdarzone ładunkiem dodatnim to kationy; powstają z atomów po oddaniu co najmniej jednego elektronu.
Jony obdarzone ładunkiem ujemnym to aniony; powstają z atomów, które przyjęły co najmniej jeden 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.
Słownik
jon o ładunku ujemnym
cząstka obdarzona ładunkiem elektrycznym, która powstała z atomu w wyniku przyjęcia lub oddania jednego lub więcej elektronów
jon o ładunku dodatnim
rodzaj wiązania chemicznego, które powstaje w wyniku elektrostatycznego przyciągania się jonów o przeciwnych znakach
związki chemiczne, w których występuje wiązanie jonowe, np. sole, tlenki metali, wodorotlenki
Ćwiczenia
Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Kation powstaje z atomu, który przyjął proton. | □ | □ |
W anionie liczba elektronów jest większa od liczby protonów w jądrze atomowym. | □ | □ |
Metale mają zdolność tworzenia kationów. | □ | □ |
Jony utworzone przez różne pierwiastki chemiczne mogą mieć jednakową liczbę elektronów. | □ | □ |
Jon obdarzony ładunkiem dodatnim to kation. | □ | □ |
Związki jonowe są zbudowane z cząsteczek. | □ | □ |
Jony utworzone przez atomy różnych pierwiastków chemicznych zawsze różnią się ładunkiem. | □ | □ |
Wskaż pierwiastki chemiczne, których atomy mogą tworzyć kationy, i te, których atomy mogą tworzyć aniony. Uporządkuj nazwy pierwiastków chemicznych według tworzonych przez nie rodzajów jonów.
sód, chlor, glin, magnez, siarka
kationy | |
---|---|
aniony |
Uporządkuj atomy i jony według liczby obecnych w nich elektronów.
<span aria-label="Mg" role="math"><math><mrow><mi>Mg</mi></mrow></math></span>, <span aria-label="Al indeks górny, trzy, plus" role="math"><math><mrow><msup><mi>Al</mi><mrow><mn>3</mn><mo>+</mo></mrow></msup></mrow></math></span>, <span aria-label="Mg indeks górny, dwa, plus" role="math"><math><mrow><msup><mi>Mg</mi><mrow><mn>2</mn><mo>+</mo></mrow></msup></mrow></math></span>, <span aria-label="Ne" role="math"><math><mrow><mi>Ne</mi></mrow></math></span>, <span aria-label="Na indeks górny, &plus;" role="math"><math><mrow><msup><mi>Na</mi><mrow><mo>&plus;</mo></mrow></msup></mrow></math></span>, <span aria-label="Na" role="math"><math><mrow><mi>Na</mi></mrow></math></span>
10 | |
---|---|
11 | |
12 |
Określ różnice i podobieństwa pomiędzy jednododatnim kationem sodu i atomem neonu. Przyporządkuj cechy do odpowiednich kategorii.
liczba zapełnionych powłok elektronowych, ładunek drobiny, liczba elektronów, konfiguracja elektronowa, ładunek jądra, liczba protonów w jądrze
różnice (odmienne cechy) | |
---|---|
podobieństwa (cechy identyczne) |
Uporządkuj atomy i jony według liczby obecnych w nich elektronów.
<span aria-label="Cl indeks górny, minus" role="math"><math><mrow><msup><mtext>Cl</mtext><mrow><mtext>−</mtext></mrow></msup></mrow></math></span>, <span aria-label="Cl" role="math"><math><mrow><mtext>Cl</mtext></mrow></math></span>, <span aria-label="S" role="math"><math><mrow><mtext>S</mtext></mrow></math></span>, <span aria-label="S indeks górny, 2 minus" role="math"><math><mrow><msup><mtext>S</mtext><mrow><mtext>2</mtext><mtext>−</mtext></mrow></msup></mrow></math></span>, <span aria-label="Ar" role="math"><math><mrow><mtext>Ar</mtext></mrow></math></span>
16 | |
---|---|
17 | |
18 |
Bibliografia
Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.
Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Kielce 2020.