- Cíle učení
- Příklad 1: Složení iontů
- Zkontrolujte si znalosti
- Příklad 2: Vznik iontů
- Zkontrolujte si znalosti
- Iontové sloučeniny
- Příklad 3: Předpověď vzorce iontové sloučeniny
- Zkontrolujte si znalosti
- Příklad 4: Předpověď vzorce sloučeniny s polyatomárním aniontem
- Zkontrolujte si své znalosti
- Molekulární sloučeniny
- Příklad 5: Předpovídání typu vazby ve sloučeninách
- Zkontrolujte si své znalosti
- Klíčové pojmy a shrnutí
- Cvičení
- Slovník
Cíle učení
Na konci této části budete umět:
- Definovat iontové a molekulární (kovalentní) sloučeniny
- Předpovědět typ sloučeniny vzniklé z prvků na základě jejich umístění v periodické tabulce
- Určit vzorce jednoduchých iontových sloučenin
V běžných chemických reakcích zůstává jádro každého atomu (a tím i identita prvku) nezměněno. Elektrony však mohou být atomům přidány přenosem z jiných atomů, ztraceny přenosem na jiné atomy nebo sdíleny s jinými atomy. Přenos a sdílení elektronů mezi atomy řídí chemii prvků. Při vzniku některých sloučenin atomy získávají nebo ztrácejí elektrony a vytvářejí elektricky nabité částice zvané ionty (obrázek 1).
Obrázek 1. (a) Atom sodíku (Na) má stejný počet protonů a elektronů (11) a je nenabitý. (b) Kationt sodíku (Na+) ztratil elektron, takže má o jeden proton (11) více než elektronů (10), což mu dává celkový kladný náboj, označený horním indexem se znaménkem plus.
Pomocí periodické tabulky můžete předpovědět, zda atom vytvoří aniont nebo kationt, a často můžete předpovědět i náboj výsledného iontu. Atomy mnoha kovů hlavní skupiny ztrácejí dostatek elektronů, takže mají stejný počet elektronů jako atom předchozího vzácného plynu. Pro ilustraci, atom alkalického kovu (skupina 1) ztratí jeden elektron a vytvoří kation s nábojem 1+; kov alkalických zemin (skupina 2) ztratí dva elektrony a vytvoří kation s nábojem 2+ atd. Například neutrální atom vápníku s 20 protony a 20 elektrony snadno ztrácí dva elektrony. Vznikne tak kationt s 20 protony, 18 elektrony a nábojem 2+. Má stejný počet elektronů jako atomy předchozího vzácného plynu, argonu, a označuje se symbolem Ca2+. Název iontu kovu je stejný jako název atomu kovu, z něhož vzniká, takže Ca2+ se nazývá ion vápníku.
Když atomy nekovových prvků tvoří ionty, obvykle získají dostatek elektronů, aby měly stejný počet elektronů jako atom následujícího vzácného plynu v periodické tabulce. Atomy skupiny 17 získají jeden elektron a tvoří anionty s nábojem 1; atomy skupiny 16 získají dva elektrony a tvoří ionty s nábojem 2 atd. Například neutrální atom bromu s 35 protony a 35 elektrony může získat jeden elektron, čímž získá 36 elektronů. Vznikne tak aniont s 35 protony, 36 elektrony a nábojem 1-. Má stejný počet elektronů jako atomy dalšího vzácného plynu, kryptonu, a označuje se symbolem Br-. (Diskuze o teorii podporující zvýhodněný status počtu elektronů vzácných plynů, který se odráží v těchto předpovědních pravidlech pro tvorbu iontů, je uvedena v jedné z dalších kapitol tohoto textu.)
Všimněte si užitečnosti periodické tabulky při předpovídání pravděpodobné tvorby iontů a jejich náboje (obrázek 2). Pohybujeme-li se v periodické tabulce zcela vlevo vpravo, mají prvky hlavních skupin tendenci tvořit kationty s nábojem rovným číslu skupiny. To znamená, že prvky 1. skupiny tvoří ionty 1+, prvky 2. skupiny tvoří ionty 2+ atd. Při pohybu zprava doleva v periodické tabulce tvoří prvky často anionty se záporným nábojem rovným počtu skupin posunutých doleva od vzácných plynů. Například prvky skupiny 17 (jedna skupina vlevo od vzácných plynů) tvoří ionty 1-; prvky skupiny 16 (dvě skupiny vlevo) tvoří ionty 2- atd. Tento trend lze v mnoha případech použít jako vodítko, ale jeho vypovídací hodnota klesá, když se pohybujeme směrem ke středu periodické tabulky. Přechodné kovy a některé další kovy totiž často vykazují proměnlivé náboje, které nejsou předvídatelné podle jejich umístění v tabulce. Například měď může tvořit ionty s nábojem 1+ nebo 2+ a železo může tvořit ionty s nábojem 2+ nebo 3+.
Obrázek 2. Některé prvky vykazují při tvorbě iontů pravidelný průběh iontového náboje.
Příklad 1: Složení iontů
Iont, který se nachází v některých sloučeninách používaných jako antiperspiranty, obsahuje 13 protonů a 10 elektronů. Jaký je jeho symbol?
Zkontrolujte si znalosti
Uveďte symbol a název iontu s 34 protony a 36 elektrony.
Příklad 2: Vznik iontů
Hořčík a dusík reagují za vzniku iontové sloučeniny. Předpovězte, který z nich tvoří aniont a který kationt, a náboje jednotlivých iontů. Napište symboly jednotlivých iontů a pojmenujte je.
Zkontrolujte si znalosti
Hliník a uhlík reagují za vzniku iontové sloučeniny. Předpovězte, který tvoří aniont a který kationt, a náboje jednotlivých iontů. Napište symboly jednotlivých iontů a pojmenujte je.
Ionty, které jsme dosud probrali, se nazývají jednoatomové ionty, to znamená, že jsou to ionty tvořené pouze jedním atomem. Najdeme však i mnoho polyatomických iontů. Tyto ionty, které vystupují jako diskrétní jednotky, jsou elektricky nabité molekuly (skupina vázaných atomů s celkovým nábojem). Některé z významnějších polyatomických iontů jsou uvedeny v tabulce 1. Oxyanionty jsou mnohoatomové ionty, které obsahují jeden nebo více atomů kyslíku. V této fázi studia chemie byste si měli zapamatovat názvy, vzorce a náboje nejběžnějších mnohoatomových iontů. Protože je budete používat opakovaně, brzy se vám stanou známými.
Všimněte si, že existuje systém pojmenování některých mnohoatomových iontů; -át a -it jsou přípony označující mnohoatomové ionty obsahující více nebo méně atomů kyslíku. Per- (zkratka pro „hyper“) a hypo- (s významem „pod“) jsou přípony označující více atomů kyslíku než -ate a méně atomů kyslíku než -ite. Například perchlorát je {\text{ClO}}_{4}{}^{-}, chlorečnan je {\text{ClO}}_{3}{}^{-}, chloritan je {\text{ClO}}_{2}{}^{-} a chloritan je ClO-. Bohužel počet atomů kyslíku odpovídající dané příponě nebo předponě není konzistentní; například dusičnan je {\text{NO}}_{3}{}^{-}, zatímco síran je {\text{SO}}_{4}{}^{2-}. Podrobněji se tím budeme zabývat v dalším modulu o názvosloví.
Podstatou klasifikace chemické vazby je povaha přitažlivých sil, které drží atomy nebo ionty ve sloučenině pohromadě. Při přenosu elektronů a vzniku iontů vznikají iontové vazby. Iontové vazby jsou elektrostatické přitažlivé síly, tj. přitažlivé síly, které vznikají mezi objekty s opačným elektrickým nábojem (v tomto případě kationty a anionty). Když se elektrony „sdílejí“ a vznikají molekuly, vznikají kovalentní vazby. Kovalentní vazby jsou přitažlivé síly mezi kladně nabitými jádry vázaných atomů a jedním nebo více páry elektronů, které se nacházejí mezi atomy. Sloučeniny se klasifikují jako iontové nebo molekulární (kovalentní) na základě vazeb, které jsou v nich přítomny.
Iontové sloučeniny
Při reakci prvku složeného z atomů, které snadno ztrácejí elektrony (kov), s prvkem složeným z atomů, které snadno získávají elektrony (nekov), obvykle dochází k přenosu elektronů za vzniku iontů. Sloučenina vzniklá tímto přenosem je stabilizována elektrostatickou přitažlivostí (iontovou vazbou) mezi ionty s opačným nábojem přítomnými ve sloučenině. Například když každý atom sodíku ve vzorku kovového sodíku (skupina 1) odevzdá jeden elektron za vzniku sodného kationtu Na+ a každý atom chloru ve vzorku plynného chloru (skupina 17) přijme jeden elektron za vzniku chloridového aniontu Cl-, je výsledná sloučenina NaCl složena ze sodných a chloridových iontů v poměru jeden iont Na+ na každý iont Cl-. Podobně může každý atom vápníku (skupina 2) odevzdat dva elektrony a předat jeden každému ze dvou atomů chloru za vzniku CaCl2, který se skládá z iontů Ca2+ a Cl- v poměru jeden iont Ca2+ na dva ionty Cl-.
Sloučenina, která obsahuje ionty a je držena pohromadě iontovými vazbami, se nazývá iontová sloučenina. Periodická tabulka nám pomůže rozpoznat mnoho sloučenin, které jsou iontové: Když se kov spojí s jedním nebo více nekovy, sloučenina je obvykle iontová. Toto vodítko dobře funguje při předpovídání vzniku iontových sloučenin pro většinu sloučenin, se kterými se obvykle setkáváme v úvodním kurzu chemie. Neplatí však vždy (například chlorid hlinitý, AlCl3, není iontový).
Iontové sloučeniny často poznáte podle jejich vlastností. Iontové sloučeniny jsou pevné látky, které obvykle tají při vysokých teplotách a vaří při ještě vyšších teplotách. Například chlorid sodný taje při 801 °C a vře při 1413 °C. (Pro srovnání: molekulární sloučenina voda taje při 0 °C a vře při 100 °C.) V pevném stavu není iontová sloučenina elektricky vodivá, protože její ionty nemohou proudit („elektřina“ je tok nabitých částic). V roztaveném stavu však může vést elektrický proud, protože její ionty se mohou volně pohybovat kapalinou (Obrázek 3).
Obrázek 3. Chlorid sodný taje při teplotě 801 °C a při roztavení vede elektrický proud. (kredit: úprava práce Marka Blasera a Matta Evanse)
Podívejte se na toto video a uvidíte, jak směs solí taje a vede elektřinu.
V každé iontové sloučenině se celkový počet kladných nábojů kationtů rovná celkovému počtu záporných nábojů aniontů. Iontové sloučeniny jsou tedy celkově elektricky neutrální, i když obsahují kladné a záporné ionty. Toto pozorování nám může pomoci při zápisu vzorce iontové sloučeniny. Vzorec iontové sloučeniny musí mít takový poměr iontů, aby se počty kladných a záporných nábojů rovnaly.
Příklad 3: Předpověď vzorce iontové sloučeniny
Drahokam safír (obrázek 4) je většinou sloučenina hliníku a kyslíku, která obsahuje kationty hliníku, Al3+, a anionty kyslíku, O2-. Jaký je vzorec této sloučeniny?
Obrázek 4. Jaký je vzorec této sloučeniny? Přestože čistý oxid hlinitý je bezbarvý, stopové množství železa a titanu dodává modrému safíru jeho charakteristickou barvu. (kredit: úprava práce Stanislava Doronenka)
Zkontrolujte si znalosti
Předpovězte vzorec iontové sloučeniny, která vzniká mezi sodným kationtem, Na+, a sulfidovým aniontem, S2-.
Mnoho iontových sloučenin obsahuje mnohoatomové ionty (tabulka 1) jako kationt, aniont nebo obojí. Stejně jako u jednoduchých iontových sloučenin musí být i tyto sloučeniny elektricky neutrální, takže jejich vzorce lze předpovědět tak, že víceatomové ionty považujeme za diskrétní jednotky. Závorky ve vzorci používáme k označení skupiny atomů, které se chovají jako jednotka. Například vzorec fosforečnanu vápenatého, jednoho z minerálů v našich kostech, je Ca3(PO4)2. Tento vzorec znamená, že na každé dvě fosforečnanové \left({\text{PO}}_{4}{}^{3-}\right) skupiny připadají tři vápenaté ionty (Ca2+). Skupiny {\text{PO}}_{4}{}^{3-} jsou samostatné jednotky, z nichž každá se skládá z jednoho atomu fosforu a čtyř atomů kyslíku a má celkový náboj 3-. Sloučenina je elektricky neutrální a její vzorec udává celkový počet tří atomů Ca, dvou P a osmi atomů O.
Příklad 4: Předpověď vzorce sloučeniny s polyatomárním aniontem
Prášek do pečiva obsahuje dihydrogenfosforečnan vápenatý, iontovou sloučeninu složenou z iontů Ca2+ a {\text{H}}_{2}{\text{PO}}_{4}{}^{-}. Jaký je vzorec této sloučeniny?
Zkontrolujte si své znalosti
Předpovězte vzorec iontové sloučeniny, která vzniká mezi iontem lithia a peroxidovým iontem, {\text{O}}_{2}{}^{2-} (Nápověda: Použijte periodickou tabulku k předpovědi znaménka a náboje iontu lithia.)
Protože iontová sloučenina není tvořena jednotlivými diskrétními molekulami, nemusí být správně symbolizována pomocí molekulového vzorce. Místo toho musí být iontové sloučeniny symbolizovány vzorcem, který udává relativní počty kationtů, z nichž se skládají. Pro sloučeniny obsahující pouze jednoatomové ionty (např. NaCl) a pro mnoho sloučenin obsahujících víceatomové ionty (např. CaSO4) jsou těmito vzorci právě empirické vzorce představené dříve v této kapitole. Vzorce pro některé iontové sloučeniny obsahující mnohoatomové ionty však empirickými vzorci nejsou. Například iontová sloučenina šťavelan sodný se skládá z iontů Na+ a {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-} v poměru 2:1 a její vzorec se zapisuje jako Na2C2O4. Dolní indexy v tomto vzorci nejsou nejmenší možná celá čísla, protože každý z nich lze vydělit dvěma a získat empirický vzorec NaCO2. Tento vzorec však není uznávaným vzorcem pro šťavelan sodný, protože přesně nevyjadřuje mnohoatomový aniont této sloučeniny, {\text{C}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-}.
Molekulární sloučeniny
Mnoho sloučenin neobsahuje ionty, ale skládá se pouze z diskrétních neutrálních molekul. Tyto molekulární sloučeniny (kovalentní sloučeniny) vznikají, když atomy sdílejí, nikoli předávají (získávají nebo ztrácejí) elektrony. Kovalentní vazba je v chemii důležitým a rozsáhlým pojmem a bude podrobně zpracována v některé z dalších kapitol tohoto textu. Molekulární sloučeniny můžeme často identifikovat na základě jejich fyzikálních vlastností. Za normálních podmínek se molekulární sloučeniny často vyskytují jako plyny, nízkovroucí kapaliny a nízkotavitelné pevné látky, i když existuje mnoho důležitých výjimek.
Zatímco iontové sloučeniny obvykle vznikají kombinací kovu a nekovu, kovalentní sloučeniny obvykle vznikají kombinací nekovů. Periodická tabulka nám tedy může pomoci rozpoznat mnoho sloučenin, které jsou kovalentní. I když v této fázi studia chemie můžeme na základě polohy prvků sloučeniny v periodické tabulce předpovědět, zda je iontová nebo kovalentní, měli byste si uvědomit, že se jedná o velmi zjednodušený přístup, který nepočítá s řadou zajímavých výjimek. Mezi iontovými a molekulárními sloučeninami existují odstíny šedi, o kterých se dozvíte více později.
Příklad 5: Předpovídání typu vazby ve sloučeninách
Předpovězte, zda jsou následující sloučeniny iontové nebo molekulové:
- KI, sloučenina používaná jako zdroj jódu ve stolní soli
- H2O2, bělidlo a dezinfekční prostředek peroxid vodíku
- CHCl3, anestetikum chloroform
- Li2CO3, zdroj lithia v antidepresivech
Zkontrolujte si své znalosti
Pomocí periodické tabulky předpovězte, zda jsou následující sloučeniny iontové nebo kovalentní:
- SO2
- CaF2
- N2H4
- Al2(SO4)3
Klíčové pojmy a shrnutí
Kovy (zejména ve skupinách 1 a 2) mají tendenci ztrácet takový počet elektronů, aby jim zůstal stejný počet elektronů jako u předchozího vzácného plynu v periodické tabulce. Tímto způsobem vzniká kladně nabitý iont. Podobně nekovy (zejména ty ze skupin 16 a 17 a v menší míře ty ze skupiny 15) mohou získat počet elektronů potřebný k tomu, aby atomy měly stejný počet elektronů jako následující vzácný plyn v periodické tabulce. Nekovy tedy mají tendenci tvořit záporné ionty. Kladně nabité ionty se nazývají kationty a záporně nabité ionty se nazývají anionty. Ionty mohou být jednoatomové (obsahují pouze jeden atom) nebo víceatomové (obsahují více atomů).
Sloučeniny, které obsahují ionty, se nazývají iontové sloučeniny. Iontové sloučeniny se obvykle tvoří z kovů a nekovů. Sloučeniny, které neobsahují ionty, ale skládají se z atomů pevně spojených v molekuly (nenabité skupiny atomů, které se chovají jako jeden celek), se nazývají kovalentní sloučeniny. Kovalentní sloučeniny obvykle vznikají ze dvou nekovů.
Cvičení
- Podle periodické tabulky předpovězte, zda jsou následující chloridy iontové nebo kovalentní:
- Pomocí periodické tabulky předpovězte, zda jsou následující chloridy iontové nebo kovalentní: KCl, NCl3, ICl, MgCl2, PCl5 a CCl4: SiCl4, PCl3, CaCl2, CsCl, CuCl2 a CrCl3.
- U každé z následujících sloučenin uveďte, zda je iontová nebo kovalentní. Pokud je iontová, napište symboly pro příslušné ionty:
- NF3
- BaO,
- (NH4)2CO3
- Sr(H2PO4)2
- IBr
- Na2O
- Pro každou z následujících sloučenin uveďte, zda je iontová nebo kovalentní, a pokud je iontová, napište symboly pro příslušné ionty:
- KClO4
- MgC2H3O2
- H2S
- Ag2S
- N2Cl4
- Co(NO3)2
- Pro každou z následujících dvojic iontů napište symbol pro vzorec sloučeniny, kterou vytvoří:
- Ca2+, S2-
- {\text{NH}}_{4}{}^{+}, {\text{SO}}_{4}{}^{2-}
- Al3+, Br- d) Na+, {\text{HPO}}_{4}{}^{2-} (e) Mg2+, {\text{PO}}_{4}{}^{3-}
- Pro každou z následujících dvojic iontů napište symbol pro vzorec sloučeniny, kterou vytvoří:
- K+, O2-
- {\text{NH}}_{4}{}^{+}, {\text{PO}}_{4}{}^{3-}
- Al3+, O2-
- Na+, {\text{CO}}_{3}{}^{2-}
- Ba2+, {\text{PO}}_{4}{}^{3-}
Slovník
kovalentní vazba: přitažlivá síla mezi jádry atomů molekuly a páry elektronů mezi atomy
kovalentní sloučeniny: (také molekulová sloučenina) složená z molekul tvořených atomy dvou nebo více různých prvků
iontová vazba: elektrostatické přitažlivé síly mezi opačně nabitými ionty iontové sloučeniny
iontová sloučenina: sloučenina složená z kationtů a aniontů kombinovaných v poměru, který dává elektricky neutrální látku
molekulová sloučenina: (také kovalentní sloučenina) složená z molekul tvořených atomy dvou nebo více různých prvků
monatomický ion: ion složený z jediného atomu
oxyanion: polyatomický anion složený z centrálního atomu vázaného na atomy kyslíku
polyatomický ion: ion složený z více než jednoho atomu