- Learning Objectives
- Przykład 1: Skład jonów
- Check Your Learning
- Przykład 2: Formation of Ions
- Sprawdź swoją wiedzę
- Związki jonowe
- Przykład 3: Przewidywanie wzoru związku jonowego
- Check Your Learning
- Przykład 4: Przewidywanie wzoru związku z anionem wieloatomowym
- Check Your Learning
- Związki molekularne
- Przykład 5: Przewidywanie typu wiązania w związkach
- Check Your Learning
- Kluczowe pojęcia i podsumowanie
- Ćwiczenia
- Słowniczek
Learning Objectives
By zakończyć ten dział, będziesz w stanie:
- Zdefiniować związki jonowe i molekularne (kowalencyjne)
- Przewidzieć typ związku utworzonego z pierwiastków na podstawie ich położenia w układzie okresowym
- Określić wzory prostych związków jonowych
W zwykłych reakcjach chemicznych jądro każdego atomu (a więc tożsamość pierwiastka) pozostaje niezmienione. Elektrony, jednakże, mogą być dodawane do atomów przez przeniesienie z innych atomów, tracone przez przeniesienie do innych atomów, lub dzielone z innymi atomami. Przenoszenie i dzielenie elektronów pomiędzy atomami rządzi chemią pierwiastków. Podczas tworzenia niektórych związków, atomy zyskują lub tracą elektrony i tworzą elektrycznie naładowane cząstki zwane jonami (Rysunek 1).
Rysunek 1. (a) Atom sodu (Na) ma równą liczbę protonów i elektronów (11) i jest nienaładowany. (b) Kation sodu (Na+) utracił elektron, więc ma o jeden proton więcej (11) niż elektronów (10), co daje mu ogólny ładunek dodatni, oznaczony znakiem plusa w indeksie górnym.
Można użyć układu okresowego do przewidzenia, czy atom utworzy anion czy kation, i często można przewidzieć ładunek powstałego jonu. Atomy wielu metali grupy głównej tracą wystarczająco dużo elektronów, aby pozostawić je z taką samą liczbą elektronów jak atom poprzedzającego gazu szlachetnego. Dla ilustracji, atom metalu alkalicznego (grupa 1) traci jeden elektron i tworzy kation z ładunkiem 1+; metal ziem alkalicznych (grupa 2) traci dwa elektrony i tworzy kation z ładunkiem 2+, i tak dalej. Na przykład, neutralny atom wapnia, posiadający 20 protonów i 20 elektronów, łatwo traci dwa elektrony. W wyniku tego powstaje kation o 20 protonach, 18 elektronach i ładunku 2+. Ma on taką samą liczbę elektronów jak atomy poprzedniego gazu szlachetnego, argonu, i jest symbolizowany jako Ca2+. Nazwa jonu metalu jest taka sama jak nazwa atomu metalu, z którego się tworzy, więc Ca2+ jest nazywany jonem wapnia.
Gdy atomy pierwiastków niemetalicznych tworzą jony, zazwyczaj zyskują wystarczająco dużo elektronów, aby dać im taką samą liczbę elektronów jak atom następnego gazu szlachetnego w układzie okresowym. Atomy z grupy 17 zyskują jeden elektron i tworzą aniony z ładunkiem 1-, atomy z grupy 16 zyskują dwa elektrony i tworzą jony z ładunkiem 2-, i tak dalej. Na przykład, neutralny atom bromu, posiadający 35 protonów i 35 elektronów, może otrzymać jeden elektron, co daje mu 36 elektronów. W wyniku tego powstaje anion o 35 protonach, 36 elektronach i ładunku 1. Ma on taką samą liczbę elektronów jak atomy kolejnego gazu szlachetnego, kryptonu, i jest symbolizowany jako Br-. (Dyskusja na temat teorii wspierającej uprzywilejowany status liczby elektronów gazu szlachetnego odzwierciedlone w tych reguł przewidywania dla tworzenia jonów jest w późniejszym rozdziale tego tekstu.)
Zauważ przydatność układu okresowego w przewidywaniu prawdopodobnego tworzenia jonów i ładunku (rysunek 2). Przesuwając się od lewej do prawej strony układu okresowego, pierwiastki grupy głównej mają tendencję do tworzenia kationów o ładunku równym numerowi grupy. Oznacza to, że pierwiastki grupy 1 tworzą jony 1+; pierwiastki grupy 2 tworzą jony 2+ itd. Przesuwając się od prawej do lewej strony układu okresowego, pierwiastki często tworzą aniony o ładunku ujemnym równym liczbie grup przesuniętych w lewo od gazów szlachetnych. Na przykład, grupa 17 pierwiastków (jedna grupa w lewo od gazów szlachetnych) tworzy jony 1-, grupa 16 pierwiastków (dwie grupy w lewo) tworzy jony 2-, i tak dalej. Trend ten może być używany jako przewodnik w wielu przypadkach, ale jego wartość predykcyjna spada, gdy porusza się w kierunku centrum układu okresowego. W rzeczywistości, metale przejściowe i niektóre inne metale często wykazują zmienne ładunki, których nie można przewidzieć na podstawie ich położenia w układzie okresowym. Na przykład, miedź może tworzyć jony o ładunku 1+ lub 2+, a żelazo może tworzyć jony o ładunku 2+ lub 3+.
Rysunek 2. Niektóre pierwiastki wykazują regularny wzór ładunku jonowego, gdy tworzą jony.
Przykład 1: Skład jonów
Jon występujący w niektórych związkach stosowanych jako antyperspiranty zawiera 13 protonów i 10 elektronów. Jaki jest jego symbol?
Check Your Learning
Podaj symbol i nazwę jonu o 34 protonach i 36 elektronach.
Przykład 2: Formation of Ions
Magnez i azot reagują tworząc związek jonowy. Przewidzieć, który tworzy anion, który tworzy kation, i ładunki każdego jonu. Napisz symbol każdego z jonów i nazwij je.
Sprawdź swoją wiedzę
Aluminium i węgiel reagują tworząc związek jonowy. Przewidz, który z jonów tworzy anion, który kation, oraz jakie są ładunki każdego z nich. Napisz symbol każdego jonu i nazwij je.
Jony, które omówiliśmy do tej pory, nazywamy jonami jednoatomowymi, to znaczy, że są to jony utworzone tylko z jednego atomu. Spotykamy również wiele jonów wieloatomowych. Jony te, występujące jako jednostki dyskretne, są cząsteczkami naładowanymi elektrycznie (grupa połączonych atomów o całkowitym ładunku). Niektóre z ważniejszych jonów wieloatomowych zostały wymienione w tabeli 1. Oksyaniony są jonami wieloatomowymi, które zawierają jeden lub więcej atomów tlenu. Na tym etapie nauki chemii powinieneś zapamiętać nazwy, wzory i ładunki najczęściej spotykanych jonów wieloatomowych. Ponieważ będziesz używać ich wielokrotnie, wkrótce staną się one znajome.
Zauważ, że istnieje system nazywania niektórych jonów wieloatomowych; -ate i -ite są sufiksami oznaczającymi jony wieloatomowe zawierające więcej lub mniej atomów tlenu. Per- (skrót od „hiper”) i hypo- (co oznacza „pod”) są przedrostkami oznaczającymi więcej atomów tlenu niż -ate i mniej atomów tlenu niż -ite, odpowiednio. Na przykład, nadchloran to {{ClO}}_{4}{}^{-}, chloran to {{ClO}}_{3}{}^{-}, chloryn to {{ClO}}_{2}{}^{-}, a podchloryn to ClO-. Niestety, liczba atomów tlenu odpowiadająca danemu przyrostkowi lub przedrostkowi nie jest spójna; na przykład, azotan to {tekst{NO}}_{3}{}^{-}, podczas gdy siarczan to {tekst{SO}_{4}{}^{2-}. Będzie to omówione bardziej szczegółowo w następnym module dotyczącym nomenklatury.
Natura sił przyciągania, które utrzymują atomy lub jony razem w związku jest podstawą do klasyfikacji wiązania chemicznego. Kiedy elektrony są przenoszone i tworzą się jony, powstają wiązania jonowe. Wiązania jonowe to elektrostatyczne siły przyciągania, czyli siły przyciągania występujące pomiędzy obiektami o przeciwnym ładunku elektrycznym (w tym przypadku kationami i anionami). Gdy elektrony są „dzielone” i tworzą się cząsteczki, powstają wiązania kowalencyjne. Wiązania kowalencyjne to siły przyciągania pomiędzy dodatnio naładowanymi jądrami połączonych atomów i jedną lub kilkoma parami elektronów, które znajdują się pomiędzy atomami. Związki są klasyfikowane jako jonowe lub molekularne (kowalencyjne) na podstawie obecnych w nich wiązań.
Związki jonowe
Gdy pierwiastek składający się z atomów, które łatwo tracą elektrony (metal) reaguje z pierwiastkiem składającym się z atomów, które łatwo zyskują elektrony (niemetal), zwykle następuje przeniesienie elektronów, tworząc jony. Związek powstały w wyniku tego przeniesienia jest stabilizowany przez elektrostatyczne przyciąganie (wiązania jonowe) pomiędzy jonami o przeciwnych ładunkach obecnych w związku. Na przykład, gdy każdy atom sodu w próbce metalu sodowego (grupa 1) oddaje jeden elektron tworząc kation sodu, Na+, a każdy atom chloru w próbce gazu chlorkowego (grupa 17) przyjmuje jeden elektron tworząc anion chlorkowy, Cl-, otrzymany związek, NaCl, składa się z jonów sodu i jonów chlorkowych w stosunku jeden jon Na+ na każdy jon Cl-. Podobnie, każdy atom wapnia (grupa 2) może oddać dwa elektrony i przenieść po jednym na każdy z dwóch atomów chloru, tworząc CaCl2, który składa się z jonów Ca2+ i Cl- w stosunku jeden jon Ca2+ do dwóch jonów Cl-.
Związek, który zawiera jony i jest utrzymywany razem przez wiązania jonowe nazywa się związkiem jonowym. Układ okresowy może nam pomóc rozpoznać wiele związków, które są jonowe: Kiedy metal jest połączony z jednym lub więcej niemetalami, związek jest zwykle jonowy. Ta wskazówka sprawdza się dobrze w przewidywaniu tworzenia związków jonowych dla większości związków typowo spotykanych w kursie wprowadzającym do chemii. Jednakże, nie zawsze jest to prawda (na przykład, chlorek glinu, AlCl3, nie jest jonowy).
Związki jonowe można często rozpoznać dzięki ich właściwościom. Związki jonowe są ciałami stałymi, które zazwyczaj topią się w wysokich temperaturach i gotują się w jeszcze wyższych temperaturach. Na przykład, chlorek sodu topi się w temperaturze 801 °C i wrze w temperaturze 1413 °C. (Dla porównania, związek molekularny wody topi się w temperaturze 0 °C i wrze w temperaturze 100 °C). W postaci stałej, związek jonowy nie jest przewodnikiem elektrycznym, ponieważ jego jony nie są w stanie przepływać („elektryczność” to przepływ naładowanych cząstek). Kiedy stopiony, jednak, może przewodzić prąd elektryczny, ponieważ jego jony są w stanie swobodnie poruszać się w cieczy (rysunek 3).
Rysunek 3. Chlorek sodu topi się w temperaturze 801 °C i w stanie stopionym przewodzi prąd elektryczny. (kredyt: modyfikacja pracy Marka Blasera i Matta Evansa)
Oglądnij ten film, aby zobaczyć, jak mieszanina soli topi się i przewodzi prąd.
W każdym związku jonowym całkowita liczba ładunków dodatnich kationów równa się całkowitej liczbie ładunków ujemnych anionów. Tak więc związki jonowe są w sumie elektrycznie obojętne, mimo że zawierają jony dodatnie i ujemne. Możemy wykorzystać tę obserwację, aby pomóc nam napisać wzór związku jonowego. Wzór związku jonowego musi mieć taki stosunek jonów, aby liczba ładunków dodatnich i ujemnych była równa.
Przykład 3: Przewidywanie wzoru związku jonowego
Kamień szlachetny szafir (rysunek 4) jest w większości związkiem glinu i tlenu, który zawiera kationy glinu, Al3+, i aniony tlenu, O2-. Jaki jest wzór tego związku?
Rysunek 4. Chociaż czysty tlenek glinu jest bezbarwny, to śladowe ilości żelaza i tytanu nadają niebieskiemu szafirowi charakterystyczną barwę. (credit: modification of work by Stanislav Doronenko)
Check Your Learning
Predict the formula of the ionic compound formed between the sodium cation, Na+, and the sulfide anion, S2-.
Wiele związków jonowych zawiera jony wieloatomowe (Tabela 1) jako kation, anion lub oba. Podobnie jak w przypadku prostych związków jonowych, związki te muszą być również elektrycznie obojętne, więc ich wzory można przewidzieć traktując jony wieloatomowe jako jednostki dyskretne. Używamy nawiasów we wzorze, aby wskazać grupę atomów, które zachowują się jak jednostka. Na przykład, wzór na fosforan wapnia, jeden z minerałów w naszych kościach, to Ca3(PO4)2. Wzór ten wskazuje, że na każde dwie grupy fosforanowe przypadają trzy jony wapnia (Ca2+). Grupy {tekst{PO}}_{4}{}^{3-} są jednostkami dyskretnymi, każda składająca się z jednego atomu fosforu i czterech atomów tlenu, o całkowitym ładunku 3-. Związek ten jest elektrycznie obojętny, a jego wzór pokazuje całkowitą liczbę trzech atomów Ca, dwóch P i ośmiu O.
Przykład 4: Przewidywanie wzoru związku z anionem wieloatomowym
Proszek do pieczenia zawiera dwuwodorofosforan wapnia, związek jonowy składający się z jonów Ca2+ i {tekst{H}}_{2}{}Tekst{PO}}_{4}{}^{-}. Jaki jest wzór tego związku?
Check Your Learning
Predict the formula of the ionic compound formed between the lithium ion and the peroxide ion, {\text{O}}_{2}{}^{2-} (Wskazówka: Użyj układu okresowego, aby przewidzieć znak i ładunek jonu litu.)
Ponieważ związek jonowy nie składa się z pojedynczych, dyskretnych cząsteczek, nie może być właściwie symbolizowany przy użyciu wzoru cząsteczkowego. Zamiast tego, związki jonowe muszą być symbolizowane za pomocą wzoru wskazującego względną liczbę kationów wchodzących w ich skład. Dla związków zawierających tylko jony jednoatomowe (takich jak NaCl) i dla wielu związków zawierających jony wieloatomowe (takich jak CaSO4), wzory te są po prostu wzorami empirycznymi wprowadzonymi wcześniej w tym rozdziale. Jednak wzory dla niektórych związków jonowych zawierających jony wieloatomowe nie są wzorami empirycznymi. Na przykład, związek jonowy szczawianu sodu składa się z jonów Na+ i {text{C}}_{2}{text{O}}_{4}}{}^{2-} połączonych w stosunku 2:1, a jego wzór zapisuje się jako Na2C2O4. Indeksy w tym wzorze nie są najmniejszymi możliwymi liczbami całkowitymi, ponieważ każdy z nich może być podzielony przez 2, aby otrzymać wzór empiryczny, NaCO2. Nie jest to jednak przyjęty wzór szczawianu sodu, ponieważ nie przedstawia on dokładnie anionu poliaatomicznego tego związku, {{C}}_{2}{{O}}_{4}{}^{2-}.
Związki molekularne
Wiele związków nie zawiera jonów, ale zamiast tego składa się wyłącznie z dyskretnych, obojętnych cząsteczek. Te związki molekularne (związki kowalencyjne) powstają, gdy atomy dzielą się elektronami, a nie przekazują je (zyskują lub tracą). Wiązanie kowalencyjne jest ważnym i obszernym pojęciem w chemii i będzie ono omówione bardzo szczegółowo w innym rozdziale tego tekstu. Często możemy zidentyfikować związki molekularne na podstawie ich właściwości fizycznych. W normalnych warunkach związki molekularne często występują jako gazy, ciecze o niskiej temperaturze wrzenia i ciała stałe o niskiej temperaturze topnienia, chociaż istnieje wiele ważnych wyjątków.
Podczas gdy związki jonowe są zwykle tworzone, gdy łączą się metal i niemetal, związki kowalencyjne są zwykle tworzone przez połączenie niemetali. Tak więc, układ okresowy może pomóc nam rozpoznać wiele związków, które są kowalencyjne. Chociaż na tym etapie nauki chemii możemy użyć pozycji pierwiastków w układzie okresowym, aby przewidzieć, czy dany związek jest jonowy czy kowalencyjny, należy pamiętać, że jest to bardzo uproszczone podejście, które nie uwzględnia wielu interesujących wyjątków. Pomiędzy związkami jonowymi i cząsteczkowymi istnieją odcienie szarości, o których dowiesz się więcej później.
Przykład 5: Przewidywanie typu wiązania w związkach
Przewidywanie, czy następujące związki są jonowe lub cząsteczkowe:
- KI, związek stosowany jako źródło jodu w soli kuchennej
- H2O2, wybielacz i środek dezynfekujący nadtlenek wodoru
- CHCl3, znieczulający chloroform
- Li2CO3, źródło litu w lekach antydepresyjnych
Check Your Learning
Używając układu okresowego, przewidz, czy następujące związki są jonowe czy kowalencyjne:
- SO2
- CaF2
- N2H4
- Al2(SO4)3
.
Kluczowe pojęcia i podsumowanie
Metale (szczególnie te w grupach 1 i 2) mają tendencję do utraty takiej liczby elektronów, która pozostawiłaby je z taką samą liczbą elektronów jak w poprzednim gazie szlachetnym w układzie okresowym. W ten sposób powstaje dodatnio naładowany jon. Podobnie niemetale (zwłaszcza te z grupy 16 i 17, a także, w mniejszym stopniu, te z grupy 15) mogą zyskać liczbę elektronów potrzebną do zapewnienia atomom takiej samej liczby elektronów jak w następnym gazie szlachetnym w układzie okresowym. Dlatego niemetale mają tendencję do tworzenia jonów ujemnych. Jony naładowane dodatnio nazywane są kationami, a jony naładowane ujemnie – anionami. Jony mogą być jednoatomowe (zawierające tylko jeden atom) lub wieloatomowe (zawierające więcej niż jeden atom).
Związki, które zawierają jony nazywane są związkami jonowymi. Związki jonowe generalnie tworzą się z metali i niemetali. Związki, które nie zawierają jonów, ale zamiast tego składają się z atomów połączonych ściśle ze sobą w cząsteczki (nienaładowane grupy atomów, które zachowują się jak pojedyncza jednostka), są nazywane związkami kowalencyjnymi. Związki kowalencyjne zazwyczaj tworzą się z dwóch niemetali.
Ćwiczenia
- Korzystając z układu okresowego, przewidz, czy następujące chlorki są jonowe czy kowalencyjne: KCl, NCl3, ICl, MgCl2, PCl5, i CCl4.
- Korzystając z układu okresowego, przewidz, czy następujące chlorki są jonowe czy kowalencyjne: SiCl4, PCl3, CaCl2, CsCl, CuCl2 i CrCl3.
- Dla każdego z poniższych związków podaj, czy jest on jonowy czy kowalencyjny. Jeśli jest jonowy, napisz symbole dla jonów biorących udział:
- NF3
- BaO,
- (NH4)2CO3
- Sr(H2PO4)2
- IBr
- Na2O
- Dla każdego z następujących związków podaj, czy jest on jonowy czy kowalencyjny, a jeśli jest jonowy, to napisz symbole jonów biorących w nim udział:
- KClO4
- MgC2H3O2
- H2S
- Ag2S
- N2Cl4
- Co(NO3)2
- Dla każdej z poniższych par jonów napisz symbol wzoru związku, który utworzą:
- Ca2+, S2-
- {tekst{NH}}_{4}{}^{+}, {tekst{SO}}_{4}{}^{2-}
- Al3+, Br- (d) Na+, {tekst{HPO}}_{4}{}^{2-} (e) Mg2+, {tekst{PO}}_{4}{}^{3-}
- Dla każdej z poniższych par jonów napisz symbol wzoru związku, który utworzą:
- K+, O2-
- {tekst{NH}_{4}{}^{+}, {tekst{PO}_{4}{}^{3-}
- Al3+, O2-
- Na+, {tekst{CO}}_{3}{}^{2-}
- Ba2+, {tekst{PO}}_{4}{}^{3-}
Słowniczek
wiązanie kowalencyjne: siła przyciągająca między jądrami atomów cząsteczki a parami elektronów między atomami
związek kowalencyjny: (także, związek molekularny) złożony z cząsteczek utworzonych przez atomy dwóch lub więcej różnych pierwiastków
wiązanie jonowe: siły elektrostatyczne przyciągania między przeciwnie naładowanymi jonami związku jonowego
związek jonowy: związek złożony z kationów i anionów połączonych w stosunku, dający substancję elektrycznie obojętną
związek molekularny: (także związek kowalencyjny) złożony z cząsteczek utworzonych przez atomy dwóch lub więcej różnych pierwiastków
jon monatomowy: jon złożony z jednego atomu
tlenocyjanion: anion wieloatomowy złożony z atomu centralnego połączonego z atomami tlenu
jon poligatomowy: jon złożony z więcej niż jednego atomu