- Læringsmål
- Eksempel 1: Sammensætning af ioner
- Kontroller din læring
- Eksempel 2: Dannelse af ioner
- Tjek din læring
- Ioniske forbindelser
- Eksempel 3: Forudsigelse af formlen for en ionisk forbindelse
- Tjek din læring
- Eksempel 4: Forudsigelse af formlen for en forbindelse med en polyatomisk anion
- Tjek din læring
- Molekylære forbindelser
- Eksempel 5: Forudsigelse af forbindelsestypen i forbindelser
- Check din læring
- Nøglebegreber og resumé
- Opgaver
- Glossar
Læringsmål
Efter dette afsnit vil du være i stand til at:
- Definere ioniske og molekylære (kovalente) forbindelser
- Forudsige hvilken type forbindelse der dannes af grundstoffer baseret på deres placering i det periodiske system
- Bestemme formler for simple ionforbindelser
I almindelige kemiske reaktioner forbliver kernen af hvert atom (og dermed grundstoffets identitet) uændret. Elektroner kan imidlertid tilføjes til atomerne ved overførsel fra andre atomer, tabes ved overførsel til andre atomer eller deles med andre atomer. Overførsel og deling af elektroner mellem atomerne er afgørende for grundstoffernes kemi. Under dannelsen af nogle forbindelser får eller mister atomerne elektroner og danner elektrisk ladede partikler kaldet ioner (figur 1).
Figur 1. (a) Et natriumatom (Na) har lige mange protoner og elektroner (11) og er uden ladning. (b) En natriumkation (Na+) har mistet en elektron, så den har en proton mere (11) end elektroner (10), hvilket giver den en samlet positiv ladning, der er angivet med et overskrevet plustegn.
Du kan bruge det periodiske system til at forudsige, om et atom vil danne en anion eller en kation, og du kan ofte forudsige ladningen af den resulterende ion. Atomer af mange metaller i hovedgruppen mister nok elektroner til at efterlade dem med samme antal elektroner som et atom af den foregående ædelgas. Et atom af et alkalimetal (gruppe 1) mister en elektron og danner en kation med en 1+ ladning; et alkalisk jordmetal (gruppe 2) mister to elektroner og danner en kation med en 2+ ladning osv. Et neutralt calciumatom med 20 protoner og 20 elektroner taber f.eks. let to elektroner. Dette resulterer i en kation med 20 protoner, 18 elektroner og en 2+ ladning. Den har det samme antal elektroner som atomer af den foregående ædelgas, argon, og symboliseres Ca2+. Navnet på en metalion er det samme som navnet på det metalatom, som den dannes af, så Ca2+ kaldes en calciumion.
Når atomer af ikke-metalelementer danner ioner, får de som regel nok elektroner til at give dem det samme antal elektroner som et atom af den næste ædelgas i det periodiske system. Atomer i gruppe 17 får én elektron og danner anioner med en 1-ladning; atomer i gruppe 16 får to elektroner og danner ioner med en 2-ladning og så videre. F.eks. kan det neutrale bromatom, der har 35 protoner og 35 elektroner, få en elektron, så det får 36 elektroner. Dette resulterer i en anion med 35 protoner, 36 elektroner og en 1-ladning. Den har det samme antal elektroner som atomer af den næste ædelgas, krypton, og symboliseres Br-. (En diskussion af den teori, der understøtter den foretrukne status for ædelgassens elektronantal, som afspejles i disse forudsigelsesregler for iondannelse, findes i et senere kapitel i denne tekst.)
Bemærk det periodiske systems anvendelighed ved forudsigelse af sandsynlig iondannelse og ladning (figur 2). Hvis man bevæger sig fra yderst til venstre til højre i det periodiske system, har hovedgruppeelementer en tendens til at danne kationer med en ladning, der er lig med gruppetallet. Det vil sige, at gruppe 1-elementer danner 1+-ioner, gruppe 2-elementer danner 2+-ioner og så videre. Hvis man bevæger sig fra det yderste højre til venstre i det periodiske system, danner grundstofferne ofte anioner med en negativ ladning, der er lig med det antal grupper, der er flyttet til venstre fra ædelgasserne. F.eks. danner grundstoffer i gruppe 17 (én gruppe til venstre for ædelgasserne) 1-ioner; grundstoffer i gruppe 16 (to grupper til venstre) danner 2-ioner osv. Denne tendens kan bruges som en rettesnor i mange tilfælde, men dens forudsigelsesværdi aftager, når man bevæger sig mod midten af det periodiske system. Faktisk udviser overgangsmetaller og nogle andre metaller ofte variable ladninger, som ikke kan forudsiges ud fra deres placering i det periodiske system. For eksempel kan kobber danne ioner med en 1+ eller 2+ ladning, og jern kan danne ioner med en 2+ eller 3+ ladning.
Figur 2. Nogle grundstoffer udviser et regelmæssigt mønster af ionisk ladning, når de danner ioner.
Eksempel 1: Sammensætning af ioner
En ion, der findes i nogle forbindelser, der anvendes som antiperspiranter, indeholder 13 protoner og 10 elektroner. Hvad er dens symbol?
Kontroller din læring
Giv symbolet og navnet på ionen med 34 protoner og 36 elektroner.
Eksempel 2: Dannelse af ioner
Magnesium og nitrogen reagerer under dannelse af en ionisk forbindelse. Forudsig, hvilken ion der danner en anion, hvilken der danner en kation, og hvilke ladninger hver ion har. Skriv symbolet for hver ion og navngiv dem.
Tjek din læring
Aluminium og kulstof reagerer og danner en ionisk forbindelse. Forudsig, hvilken der danner en anion, hvilken der danner en kation, og hvilke ladninger hver ion har. Skriv symbolet for hver ion og navngiv dem.
De ioner, som vi har diskuteret indtil nu, kaldes monatomiske ioner, dvs. at det er ioner, der kun er dannet af ét atom. Vi finder også mange polyatomiske ioner. Disse ioner, der optræder som diskrete enheder, er elektrisk ladede molekyler (en gruppe af bundne atomer med en samlet ladning). Nogle af de vigtigste polyatomare ioner er opført i tabel 1. Oxyanioner er polyatomare ioner, der indeholder et eller flere oxygenatomer. På dette tidspunkt i dit kemi-studie bør du lære navnene, formlerne og ladningerne for de mest almindelige polyatomare ioner udenad. Da du vil bruge dem gentagne gange, vil de hurtigt blive velkendte.
Bemærk, at der findes et system til navngivning af nogle polyatomare ioner; -ate og -ite er suffikser, der betegner polyatomare ioner, der indeholder flere eller færre oxygenatomer. Per- (forkortelse for “hyper”) og hypo- (betyder “under”) er præfikser, der betyder henholdsvis flere oxygenatomer end -ate og færre oxygenatomer end -ite. Perchlorat er f.eks. {\text{ClO}}_{4}{}{}^{-}, chlorat er {\text{ClO}}_{3}{}^{-}, chlorit er {\text{ClO}}_{2}{}^{-} og hypochlorit er ClO-. Desværre er antallet af oxygenatomer svarende til et givet suffiks eller præfiks ikke konsekvent; f.eks. er nitrat {\text{NO}}_{3}{}{}^{-}, mens sulfat er {\text{SO}}_{4}{}^{2-}. Dette vil blive behandlet mere detaljeret i det næste modul om nomenklatur.
Naturen af de tiltrækkende kræfter, der holder atomer eller ioner sammen i en forbindelse, er grundlaget for klassificering af kemisk binding. Når elektroner overføres og ioner dannes, opstår der ioniske bindinger. Ioniske bindinger er elektrostatiske tiltrækningskræfter, dvs. de tiltrækningskræfter, der opleves mellem objekter med modsat elektrisk ladning (i dette tilfælde kationer og anioner). Når elektroner “deles”, og der dannes molekyler, opstår der kovalente bindinger. Kovalente bindinger er de tiltrækkende kræfter mellem de positivt ladede atomkerner i de bundne atomer og et eller flere elektronpar, der befinder sig mellem atomerne. Forbindelser klassificeres som ioniske eller molekylære (kovalente) på grundlag af de bindinger, der er til stede i dem.
Ioniske forbindelser
Når et grundstof, der består af atomer, der let mister elektroner (et metal), reagerer med et grundstof, der består af atomer, der let får elektroner (et ikke-metal), sker der normalt en overførsel af elektroner, hvorved der dannes ioner. Den forbindelse, der dannes ved denne overførsel, stabiliseres af de elektrostatiske tiltrækninger (ioniske bindinger) mellem de ioner med modsat ladning, der er til stede i forbindelsen. Når f.eks. hvert natriumatom i en prøve af natriummetal (gruppe 1) afgiver en elektron for at danne en natriumkation, Na+, og hvert kloratom i en prøve af klorgas (gruppe 17) afgiver en elektron for at danne en klorid-anion, Cl-, består den resulterende forbindelse, NaCl, af natrium- og klorid-ioner i forholdet en Na+-ion for hver Cl-ion. På samme måde kan hvert calciumatom (gruppe 2) afgive to elektroner og overføre en til hvert af de to kloratomer for at danne CaCl2, som består af Ca2+- og Cl-ioner i forholdet én Ca2+-ion til to Cl-ioner.
En forbindelse, der indeholder ioner og holdes sammen af ioniske bindinger, kaldes en ionisk forbindelse. Det periodiske system kan hjælpe os med at genkende mange af de forbindelser, der er ionforbindelser: Når et metal er kombineret med et eller flere ikke-metaller, er forbindelsen normalt ionisk. Denne retningslinje fungerer godt til at forudsige dannelsen af ioniske forbindelser for de fleste af de forbindelser, som man typisk støder på i et introduktionskursus i kemi. Den er dog ikke altid sand (f.eks. er aluminiumklorid, AlCl3, ikke ionisk).
Du kan ofte genkende ioniske forbindelser på grund af deres egenskaber. Ioniske forbindelser er faste stoffer, der typisk smelter ved høje temperaturer og koger ved endnu højere temperaturer. F.eks. smelter natriumchlorid ved 801 °C og koger ved 1413 °C. (Til sammenligning smelter den molekylære forbindelse vand ved 0 °C og koger ved 100 °C). I fast form er en ionisk forbindelse ikke elektrisk ledende, fordi dens ioner ikke kan strømme (“elektricitet” er strømmen af ladede partikler). Når den er smeltet, kan den imidlertid lede elektricitet, fordi dens ioner kan bevæge sig frit gennem væsken (figur 3).
Figur 3. Natriumchlorid smelter ved 801 °C og er elektrisk ledende, når det er smeltet. (credit: modifikation af arbejde af Mark Blaser og Matt Evans)
Se denne video for at se en blanding af salte smelte og lede elektricitet.
I alle ioniske forbindelser er det samlede antal positive ladninger fra kationerne lig med det samlede antal negative ladninger fra anionerne. Derfor er ionforbindelser samlet set elektrisk neutrale, selv om de indeholder positive og negative ioner. Vi kan bruge denne observation til at hjælpe os med at skrive formlen for en ionisk forbindelse. Formlen for en ionisk forbindelse skal have et sådant forhold mellem ionerne, at antallet af positive og negative ladninger er lige stort.
Eksempel 3: Forudsigelse af formlen for en ionisk forbindelse
Edelstenen safir (figur 4) er for det meste en forbindelse af aluminium og oxygen, der indeholder aluminiumkationer, Al3+, og oxygenanioner, O2-. Hvad er formlen for denne forbindelse?
Figur 4. Selv om ren aluminiumoxid er farveløs, giver spormængder af jern og titan den blå safir sin karakteristiske farve. (credit: modifikation af Stanislav Doronenkos arbejde)
Tjek din læring
Forudsig formlen for den ionforbindelse, der dannes mellem natriumkationen, Na+, og sulfidanionen, S2-.
Mange ionforbindelser indeholder polyatomiske ioner (tabel 1) som kation, anion eller begge dele. Som for simple ionforbindelser skal disse forbindelser også være elektrisk neutrale, så deres formler kan forudsiges ved at behandle de polyatomare ioner som diskrete enheder. Vi bruger parenteser i en formel for at angive en gruppe af atomer, der opfører sig som en enhed. F.eks. er formlen for calciumphosphat, et af mineralerne i vores knogler, Ca3(PO4)2. Denne formel angiver, at der er tre calciumioner (Ca2+) for hver to fosfatgrupper \left({\text{PO}}}_{4}{{}^{3-}\right). {\text{PO}}}_{4}{}{}^{3-}-grupperne er diskrete enheder, der hver består af et fosforatom og fire oxygenatomer, og som har en samlet ladning på 3-. Forbindelsen er elektrisk neutral, og dens formel viser et samlet antal på tre Ca-, to P- og otte O-atomer.
Eksempel 4: Forudsigelse af formlen for en forbindelse med en polyatomisk anion
Bagepulver indeholder calciumdihydrogenphosphat, en ionisk forbindelse bestående af ionerne Ca2+ og {\text{H}}}_{2}{\text{PO}}_{4}{}^{-}. Hvad er formlen for denne forbindelse?
Tjek din læring
Forudsig formlen for den ionforbindelse, der dannes mellem lithiumionen og peroxidionen, {\text{{O}}}_{2}{}^{2-} (Tip: Brug det periodiske system til at forudsige lithiumionens tegn og ladning.)
Da en ionisk forbindelse ikke består af enkelte, diskrete molekyler, kan den muligvis ikke symboliseres korrekt ved hjælp af en molekylformel. I stedet skal ionforbindelser symboliseres ved hjælp af en formel, der angiver det relative antal af de kationer, der indgår i dem. For forbindelser, der kun indeholder monatomiske ioner (f.eks. NaCl) og for mange forbindelser, der indeholder polyatomiske ioner (f.eks. CaSO4), er disse formler blot de empiriske formler, der blev introduceret tidligere i dette kapitel. Formlerne for nogle ionforbindelser, der indeholder polyatomiske ioner, er imidlertid ikke empiriske formler. For eksempel består den ioniske forbindelse natriumoxalat af Na+ og {\text{C}}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-} ioner kombineret i et 2:1-forhold, og dens formel er skrevet som Na2C2O4. De små bogstaver i denne formel er ikke de mindste mulige hele tal, da de hver især kan divideres med 2 for at give den empiriske formel NaCO2. Dette er dog ikke den accepterede formel for natriumoxalat, da den ikke nøjagtigt repræsenterer forbindelsens polyatomare anion, {\text{C}}}_{2}{\text{O}}_{4}{}^{2-}.
Molekylære forbindelser
Mange forbindelser indeholder ikke ioner, men består i stedet udelukkende af diskrete, neutrale molekyler. Disse molekylære forbindelser (kovalente forbindelser) opstår, når atomer deler, snarere end overfører (vinder eller mister), elektroner. Kovalente bindinger er et vigtigt og omfattende begreb i kemi, og det vil blive behandlet meget detaljeret i et senere kapitel i denne tekst. Vi kan ofte identificere molekylforbindelser på grundlag af deres fysiske egenskaber. Under normale forhold eksisterer molekylforbindelser ofte som gasser, lavtkogende væsker og lavtsmeltende faste stoffer, selv om der findes mange vigtige undtagelser.
Mens ionforbindelser normalt dannes, når et metal og et ikke-metal kombineres, dannes kovalente forbindelser normalt ved en kombination af ikke-metaller. Det periodiske system kan således hjælpe os med at genkende mange af de forbindelser, der er kovalente. Selv om vi kan bruge positionerne af en forbindelses grundstoffer i det periodiske system til at forudsige, om den er ionisk eller kovalent på dette tidspunkt i vores studier af kemi, skal du være opmærksom på, at dette er en meget forenklet tilgang, der ikke tager højde for en række interessante undtagelser. Der findes gråtoner mellem ioniske og molekylære forbindelser, og du vil lære mere om dem senere.
Eksempel 5: Forudsigelse af forbindelsestypen i forbindelser
Forudsig, om følgende forbindelser er ioniske eller molekylære:
- KI, den forbindelse, der anvendes som kilde til jod i bordsalt
- H2O2, blegemiddel og desinfektionsmiddel hydrogenperoxid
- CHCl3, det bedøvende kloroform
- Li2CO3, en kilde til lithium i antidepressiva
Check din læring
Grundet på det periodiske system skal du forudsige, om følgende forbindelser er ioniske eller kovalente:
- SO2
- CaF2
- N2H4
- Al2(SO4)3
Nøglebegreber og resumé
Metaller (især dem i gruppe 1 og 2) har en tendens til at miste det antal elektroner, der ville efterlade dem med det samme antal elektroner som i den foregående ædelgas i det periodiske system. På denne måde dannes der en positivt ladet ion. På samme måde kan ikke-metaller (især dem i gruppe 16 og 17 og i mindre grad dem i gruppe 15) få det antal elektroner, der er nødvendigt for at give atomerne det samme antal elektroner som i den næste ædelgas i det periodiske system. Ikke-metaller har således en tendens til at danne negative ioner. Positivt ladede ioner kaldes kationer, og negativt ladede ioner kaldes anioner. Ioner kan enten være monatomare (indeholder kun ét atom) eller polyatomare (indeholder mere end ét atom).
Samlinger, der indeholder ioner, kaldes ionforbindelser. Ioniske forbindelser dannes generelt af metaller og ikke-metaller. Forbindelser, der ikke indeholder ioner, men i stedet består af atomer, der er tæt bundet sammen i molekyler (uladede grupper af atomer, der opfører sig som en enkelt enhed), kaldes kovalente forbindelser. Kovalente forbindelser dannes normalt af to ikke-metaller.
Opgaver
- Fortæl ved hjælp af det periodiske system, om følgende chlorider er ioniske eller kovalente: KCl, NCl3, ICl, MgCl2, PCl5 og CCl4.
- Forsøg ved hjælp af det periodiske system, om følgende chlorider er ioniske eller kovalente: SiCl4, PCl3, CaCl2, CsCl, CuCl2, og CrCl3.
- Angiv for hver af følgende forbindelser, om de er ioniske eller kovalente. Hvis den er ionisk, anføres symbolerne for de involverede ioner:
- NF3
- BaO,
- (NH4)2CO3
- Sr(H2PO4)2
- IBr
- Na2O
- For hver af følgende forbindelser angives det, om den er ionisk eller kovalent, og hvis den er ionisk, anføres symbolerne for de ioner, der er involveret:
- KClO4
- MgC2H3O2
- H2S
- Ag2S
- N2Cl4
- Co(NO3)2
- For hvert af følgende ionpar skal du skrive symbolet for formlen på den forbindelse, som de danner:
- Ca2+, S2-
- {\text{NH}}}_{4}{}^{+}, {\text{SO}}_{4}{}{}^{2-}
- Al3+, Br- (d) Na+, {\text{HPO}}_{4}{}^{2-} (e) Mg2+, {\text{{PO}}_{4}{}{}^{3-}
- For hvert af følgende ionpar skal du skrive symbolet for formlen på den forbindelse, de danner, for hvert af følgende ionpar:
- K+, O2-
- {\text{NH}}}_{4}{}{}^{+}, {\text{PO}}_{4}{}{}^{3-}
- Al3+, O2-
- Na+, {\text{CO}}}_{3}{}{}^{2-}
- Ba2+, {\text{PO}}}_{4}{}^{3-}
Glossar
kovalent binding: tiltrækkende kraft mellem atomkerner i et molekyls atomer og elektronpar mellem atomerne
kovalent forbindelse: (også molekylforbindelse) sammensat af molekyler dannet af atomer fra to eller flere forskellige grundstoffer
ionisk binding: elektrostatisk tiltrækningskraft mellem de modsat ladede ioner i en ionisk forbindelse
ionisk forbindelse: forbindelse sammensat af kationer og anioner, der er kombineret i forhold, hvilket giver et elektrisk neutralt stof
molekylær forbindelse: (også kovalent forbindelse) sammensat af molekyler dannet af atomer fra to eller flere forskellige grundstoffer
monatomær ion: ion sammensat af et enkelt atom
oxyanion: polyatomær anion sammensat af et centralt atom bundet til oxygenatomer
polyatomær ion: ion sammensat af mere end ét atom