Йонний зв’язок

Атоми металічних і неметалічних елементів відрізняються за здатністю віддавати або приєднувати електрони. Металічні атоми (Na, Mg, Ca, K, Al) мають на зовнішньому енергетичному рівні 1–3 електрони й легко їх віддають, перетворюючись на позитивно заряджені частинки — катіони. Неметалічні атоми (Cl, O, F, S), навпаки, мають 5–7 електронів на зовнішньому рівні й прагнуть приєднати відсутні електрони, утворюючи негативно заряджені частинки — аніони.

Розгляньмо найпростіші приклади. Атом Натрію (Na) має 11 електронів, з яких один — на зовнішньому рівні. Віддаючи цей електрон, він перетворюється на катіон Na⁺, а його електронна оболонка стає такою, як в атома Неону (10 електронів). Записуємо це так: Na → Na⁺ + e⁻. Атом Хлору (Cl) має 7 електронів на зовнішньому рівні. Приєднуючи один електрон, він стає аніоном Cl⁻ з електронною оболонкою атома Аргону: Cl + e⁻ → Cl⁻. Зверни увагу: ядра атомів під час цих перетворень лишаються незмінними — змінюється лише кількість електронів.

Що таке йонний зв'язок

Йонний зв'язок — це електростатичне притягання між протилежно зарядженими йонами (катіонами й аніонами). Воно виникає в багаточастинковій структурі, де кожен катіон оточений кількома аніонами й навпаки. Саме тому йонні сполуки не утворюють окремих молекул — їхні формули показують лише найменше співвідношення йонів у кристалі.

Типові приклади йонних сполук:

• NaCl (натрій хлорид) — катіони Na⁺ й аніони Cl⁻ у співвідношенні 1 : 1

• CaO (кальцій оксид) — катіони Ca²⁺ й аніони O²⁻ у співвідношенні 1 : 1

• KF (калій флуорид) — катіони K⁺ й аніони F⁻ у співвідношенні 1 : 1

Схема утворення MgF₂

Розгляньмо, як утворюється магній флуорид (MgF₂). Атом Магнію має на зовнішньому рівні 2 електрони. Він віддає обидва, перетворюючись на катіон Mg²⁺: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻. Кожен із двох атомів Флуору потребує одного електрона для завершення зовнішнього рівня, тому кожен приєднує по одному електрону: F + e⁻ → F⁻. У підсумку один катіон Mg²⁺ притягує два аніони F⁻, і формула сполуки — MgF₂.

Записи Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ і F + e⁻ → F⁻ — це спрощені шкільні схеми, які показують баланс електронів, а не повний механізм синтезу. У реальності процес відбувається в кристалічній ґратці, а не з окремими ізольованими атомами.

Основне правило складання формули йонної сполуки: сума зарядів усіх йонів у формульній одиниці має дорівнювати нулю. Іншими словами, сполука має бути електронейтральною. Щоб досягти цього, добирають найменші цілі числа катіонів та аніонів, за яких сумарний позитивний заряд дорівнює сумарному негативному.

Прості йони: приклади

Розгляньмо кілька типових випадків:

Складні йони: дужки зберігають склад

Коли до складу сполуки входить складний йон (наприклад, OH⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺), його беруть у дужки, якщо індекс біля нього більший за 1. Це показує, що весь складний йон повторюється вказану кількість разів.

• Ca²⁺ + 2OH⁻ → Ca(OH)₂. Один катіон Ca²⁺ (2+) притягує дві гідроксид-групи OH⁻ (по 1−). Дужки навколо OH показують, що гідроксильних груп дві.

• 2NH₄⁺ + SO₄²⁻ → (NH₄)₂SO₄. Два катіони амонію (по 1+) зрівноважують заряд сульфат-аніона (2−). Дужки навколо NH₄ показують, що група NH₄ повторюється двічі.

• Al³⁺ + 3NO₃⁻ → Al(NO₃)₃. Три нітрат-аніони (по 1−) компенсують заряд Al³⁺.

Перевірка індексів і типова помилка

Після того як склав формулу, завжди перевіряй суму зарядів. Наприклад, для Al₂O₃: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 6 − 6 = 0. Для MgF₂: 1 · (+2) + 2 · (−1) = 2 − 2 = 0.

Заряд простого йона не є індексом того самого елемента! Запис Mg²⁺ означає «йон Магнію із зарядом 2+», а не «два атоми Магнію». Індекс 2 у формулі MgF₂ стосується Флуору, а не Магнію.

Багато речовин містять одночасно йонний і ковалентний зв'язки. Йонна взаємодія діє між протилежно зарядженими йонами, а всередині складних йонів атоми сполучені ковалентними зв'язками. Це важливо розуміти, щоб правильно аналізувати будову речовини.

NaOH — натрій гідроксид

У натрій гідроксиді (NaOH) між катіоном Na⁺ та аніоном OH⁻ діє йонне притягання. А всередині самого гідроксид-йона OH⁻ атом Оксигену сполучений з атомом Гідрогену полярним ковалентним зв'язком. Отже, в одній речовині співіснують два типи зв'язку: йонний (Na⁺···OH⁻) і ковалентний (O–H).

K₂SO₄ — калій сульфат

У калій сульфаті (K₂SO₄) йонна взаємодія існує між катіонами K⁺ та сульфат-аніоном SO₄²⁻. Усередині сульфат-аніона атом Сульфуру сполучений з чотирма атомами Оксигену ковалентними зв'язками (S–O). Тут також поєднано йонний і ковалентний типи зв'язку.

NH₄Cl — амоній хлорид: йонна сполука без металу

Амоній хлорид (NH₄Cl) — класичний приклад йонної сполуки, яка не містить жодного металічного елемента. Йонний зв'язок виникає між катіоном амонію NH₄⁺ та хлорид-аніоном Cl⁻. Усередині катіона NH₄⁺ атом Нітрогену сполучений з чотирма атомами Гідрогену ковалентними зв'язками (N–H), причому один із них утворений за донорно-акцепторним механізмом.

Правило «метал + неметал → йонний зв'язок» дає правильну відповідь у типових випадках (NaCl, CaO, KF), але не охоплює всіх йонних сполук. NH₄Cl — важливий виняток, який варто запам'ятати.

HCl: ковалентна молекула чи йонна сполука?

Гідроген хлорид (HCl) у газоподібному стані — це ковалентна молекула з полярним зв'язком H–Cl. У ній немає йонів. Однак, розчиняючись у воді, HCl дисоціює на йони H₃O⁺ та Cl⁻. Важливо не плутати: виникнення йонів у розчині не означає, що в початковій молекулі був йонний зв'язок. Тип зв'язку визначають за будовою речовини в її стандартному стані (газ, рідина або кристал), а не за складом частинок у розчині.

Властивості йонних кристалічних ґраток (твердість, температура плавлення, електропровідність у розплаві) детально розглянуто в наступному уроці «Кристалічні ґратки і властивості речовин».

Приклад 1. Формула сполуки алюміній сульфіду

Завдання: Визнач формулу сполуки, утвореної йонами Al³⁺ та S²⁻.

Розв'язання: Щоб сполука була електронейтральною, сума зарядів має дорівнювати нулю. Знаходимо найменше спільне кратне для зарядів 3 і 2 — це 6. Отже, потрібно 2 катіони Al³⁺ (2 · (+3) = +6) і 3 аніони S²⁻ (3 · (−2) = −6). Формула: Al₂S₃.

Відповідь: Al₂S₃.

Чому інші варіанти неправильні:

• Al₃S₂ — сума зарядів: 3 · (+3) + 2 · (−2) = 9 − 4 = +5, сполука не електронейтральна.

• AlS — сума зарядів: (+3) + (−2) = +1, не дорівнює нулю.

• AlS₃ — сума зарядів: (+3) + 3 · (−2) = 3 − 6 = −3, не дорівнює нулю.

Приклад 2. Речовина з йонним і ковалентним зв'язками

Завдання: Укажи речовину, у якій одночасно наявні йонний і ковалентний зв'язки.

Розв'язання: Розгляньмо кожну речовину:

• O₂ — молекула кисню, у ній лише неполярний ковалентний зв'язок O=O.

• H₂O — вода, у ній лише полярні ковалентні зв'язки O–H.

• MgO — магній оксид, типова йонна сполука Mg²⁺O²⁻, ковалентних зв'язків немає.

• Ca(OH)₂ — кальцій гідроксид: між Ca²⁺ та OH⁻ — йонна взаємодія, а всередині OH⁻ — полярний ковалентний зв'язок O–H.

Відповідь: Ca(OH)₂.

Приклад 3. Причина йонного зв'язку в NH₄Cl

Завдання: Чому амоній хлорид (NH₄Cl) вважають сполукою з йонним зв'язком?

Розв'язання: NH₄Cl складається з катіона амонію NH₄⁺ та хлорид-аніона Cl⁻. Між цими протилежно зарядженими йонами виникає електростатичне притягання — це й є йонний зв'язок. У кристалі NH₄Cl катіони й аніони впорядковано чергуються, утворюючи йонні ґратки.

Відповідь: Йонний зв'язок зумовлений електростатичним притяганням між NH₄⁺ та Cl⁻.

Чому інші міркування помилкові:

• Приписувати Нітрогену металічні властивості — неправильно, бо Нітроген є неметалом.

• Вважати, що зв'язок виникає між нейтральними молекулами NH₃ і HCl, — помилка, бо в кристалі NH₄Cl немає окремих молекул NH₃ та HCl.

• Твердження про одну спільну пару N–Cl ігнорує те, що між N і Cl немає безпосереднього ковалентного зв'язку — Cl⁻ є окремим аніоном.

• Вважати Mg²⁺ частинкою з двох атомів Магнію. Запис Mg²⁺ означає один йон Магнію із зарядом 2+, а не два атоми. Індекс 2 у формулі MgF₂ стосується Флуору, а не Магнію.

• Називати формулу MgF₂ окремою молекулою в кристалі. Йонні сполуки не утворюють окремих молекул. Формула MgF₂ показує лише найменше співвідношення йонів (один Mg²⁺ на два F⁻) у кристалічній ґратці, а не склад ізольованої молекули.

• Заперечувати йонну будову NH₄Cl через відсутність металу. Йонний зв'язок можливий і без металічного елемента — достатньо, щоб у сполуці були катіон (наприклад, NH₄⁺) та аніон (Cl⁻). NH₄Cl — класичний приклад такої сполуки.

• Вважати всі зв'язки в NaOH йонними. У натрій гідроксиді йонним є лише зв'язок між Na⁺ та OH⁻. Усередині гідроксид-йона OH⁻ атоми Оксигену й Гідрогену сполучені полярним ковалентним зв'язком.

• Переносити йони водного розчину HCl на тип зв'язку в газоподібному HCl. У газоподібному стані HCl — ковалентна молекула з полярним зв'язком H–Cl. Йони H₃O⁺ та Cl⁻ з'являються лише після розчинення у воді, а це вже результат хімічної взаємодії з розчинником.

Тема «Йонний зв'язок» належить до теми 1.5 програми НМТ з хімії («Хімічний зв'язок»). Від тебе вимагають уміти розпізнавати йонний зв'язок у різних сполуках і складати формули за зарядами йонів.

Формат завдань

Тему можуть перевіряти завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г; № 1–18, 0 або 1 бал) і завдання на встановлення відповідності (№ 19–20; 1 бал за кожну правильну пару, до 3 балів).

Стратегія розв'язання

1. Визнач, які частинки (йони, атоми, молекули) утворюють речовину. Знайди катіон (позитивно заряджену частинку) та аніон (негативно заряджену частинку).

2. Якщо потрібно скласти формулу, зрівноваж заряди: добери найменші цілі числа катіонів та аніонів так, щоб сума зарядів дорівнювала нулю.

3. Якщо в речовині є складний йон (OH⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺), проаналізуй його зсередини: які зв'язки всередині нього (ковалентні) і який зв'язок він утворює з протилежним йоном (йонний).

4. Перевір, чи не маскує сполука йонний зв'язок відсутністю металу (NH₄Cl) або чи не плутаєш тимчасові йони в розчині з постійними йонами в кристалі (HCl).

Пам'ятай: неправильні варіанти відповіді можуть бути побудовані на типових помилках — наприклад, Mg²⁺ як «два атоми» або заперечення йонного зв'язку в NH₄Cl.

• Йонний зв'язок — це електростатичне притягання між позитивно зарядженими катіонами та негативно зарядженими аніонами.

• Формула йонної сполуки показує найменше електронейтральне співвідношення йонів у кристалі, а не склад окремої молекули.

• Складні йони (OH⁻, SO₄²⁻, NH₄⁺) можуть містити всередині ковалентні зв'язки, а між собою утворювати йонний зв'язок.

• Тип хімічного зв'язку в речовині визначають за її будовою в стандартному стані, а не за складом частинок у розчині.

• NH₄Cl — приклад йонної сполуки без металічного елемента.