навички для розвитку

  • Поясніть утворення катіонів, аніонів та іонних сполук.
  • Прогнозуйте заряд загальних металевих та неметалевих елементів та запишіть їх електронні конфігурації

Як ви дізналися, іони - це атоми або молекули, які несуть електричний заряд. Катіон (позитивний іон) утворюється, коли нейтральний атом втрачає один або кілька електронів з валентної оболонки, а аніон (негативний іон) утворюється, коли нейтральний атом отримує один або кілька електронів з валентної оболонки.

Сполуки, утворені з іонів, називаються іонними сполуками (або солями), а їх складові іони утримуються разом за допомогою іонних зв’язків - електростатичних сил притягання між катіонами та аніонами протилежного заряду. Властивості іонних сполук проливають трохи світла на природу іонних зв’язків. Іонні тверді речовини мають кристалічну структуру і, як правило, жорсткі та крихкі; вони також мають тенденцію до високих температур плавлення та кипіння, що свідчить про те, що іонні зв'язки дуже міцні. Іонні тверді речовини також є поганими провідниками електрики з тієї ж причини: міцність іонних зв'язків заважає іонам вільно рухатися в твердому стані. Однак більшість іонних твердих речовин легко розчиняються у воді. Розчинившись або розплавившись, іонні сполуки є чудовими провідниками електрики та тепла, оскільки іони можуть вільно рухатися.

Нейтральні атоми та пов'язані з ними іони мають дуже різні фізичні та хімічні властивості. Атоми натрію утворюють метал натрію, м’який, сріблясто-білий метал, який енергійно горить на повітрі і вибухонебезпечно реагує з водою. Атоми хлору утворюють газоподібний хлор Cl2, зеленувато-жовтий газ, який надзвичайно їдкий для більшості металів і сильно отруйний для тварин і рослин. Бурхлива реакція між елементами натрій і хлор утворює білу кристалічну сполуку хлориду натрію, яку зазвичай називають кухонною сіллю, яка містить катіони натрію та аніони хлориду (Рисунок \ (\ PageIndex \)). З'єднання, утворене цими іонами, виявляє зовсім інші властивості від властивостей елементів натрію та хлору. Хлор отруйний, але хлорид натрію необхідний для життя; атоми натрію енергійно реагують з водою, але хлорид натрію просто розчиняється у воді.

язок
Рисунок \ (\ PageIndex \):( а) Натрій - це м’який метал, який потрібно зберігати в мінеральній олії, щоб уникнути реакції з повітрям або водою. (b) Хлор - блідо-зеленувато-жовтий газ. (c) У поєднанні вони утворюють білі кристали хлориду натрію (кухонна сіль). (заслуга: модифікація твору від “Jurii”/Wikimedia Commons)

Утворення іонних сполук

Бінарні іонні сполуки складаються лише з двох елементів: металу (який утворює катіони) та неметалу (який утворює аніони). Наприклад, NaCl - це бінарна іонна сполука. Ми можемо думати про утворення таких сполук з точки зору періодичних властивостей елементів. Багато металевих елементів мають відносно низький потенціал іонізації і легко втрачають електрони. Ці елементи знаходяться ліворуч у крапці або біля нижньої частини групи в таблиці Менделєєва. Неметалічні атоми мають відносно високу електронну спорідненість і, таким чином, легко отримують електрони, втрачені атомами металів, і таким чином заповнюють їх валентні оболонки. Неметалеві елементи знаходяться у верхньому правому куті таблиці Менделєєва.

Оскільки всі речовини повинні бути електрично нейтральними, загальна кількість позитивних зарядів на катіонах іонної сполуки має дорівнювати загальній кількості негативних зарядів на її аніонах. Формула іонної сполуки представляє найпростіший коефіцієнт кількості іонів, необхідних для отримання однакової кількості позитивних і негативних зарядів. Наприклад, формула для оксиду алюмінію, Al2O3, вказує, що ця іонна сполука містить два катіони алюмінію, Al 3+ для кожних трьох оксидних аніонів, O 2− [таким чином, (2 × +3) + (3 × –2) = 0] .

Однак важливо зазначити, що формула іонної сполуки не відображає фізичного розташування її іонів. Неправильно називати "молекулу" хлориду натрію (NaCl), оскільки між будь-якою конкретною парою іонів натрію та хлориду не існує жодного іонного зв'язку. Сили притягання між іонами ізотропні, однакові в усіх напрямках, тобто будь-який конкретний іон однаково притягується до всіх сусідніх іонів протилежного заряду. Це призводить до того, що іони розташовані у щільно зв’язаній тривимірній решітчастій структурі. Наприклад, хлорид натрію складається з регулярного розташування однакової кількості катіонів Na + та Cl - аніонів (Рисунок \ (\ PageIndex \)).

Рисунок \ (\ PageIndex \): Атоми хлориду натрію (звичайної кухонної солі) розташовані таким чином, щоб (а) максимізувати взаємодіючі протилежні заряди. Менші сфери представляють іони натрію, більші сфери представляють іони хлориду. У розгорнутому вигляді (b) геометрію можна побачити більш чітко. Зверніть увагу, що кожен іон "пов'язаний" з усіма оточуючими іонами, у цьому випадку шістьма.

Сильне електростатичне притягання між іонами Na + та Cl– міцно утримує їх у твердому NaCl. Для дисоціації одного молю твердого NaCl на окремі газоподібні іони, такі як Na + та Cl, потрібно 769 кДж енергії:

Електронні структури катіонів

Коли утворюється катіон, атом елемента основної групи має тенденцію втрачати всі свої валентні електрони, припускаючи, таким чином, це електронна структура благородного газу, що передує йому в таблиці Менделєєва. Для груп 1 (лужні метали) та 2 (лужноземельні метали) числа груп дорівнюють числам електронів у валентній оболонці і, отже, зарядам катіонів, утворених атомами цих елементів, коли всі електрони у валентних оболонках видаляються. Наприклад, кальцій є елементом групи 2, нейтральні атоми якого мають 20 електронів і основну електронну конфігурацію 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. Коли атом Са втрачає два валентні електрони, в результаті виникає катіон з 18 електронами, зарядом 2+ і електронною конфігурацією 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6. Тому іон Са 2+ є ізоелектронним із благородним газом Ar.

Для груп з 12 по 17 число груп перевищує кількість валентних електронів на 10 (що пояснює можливість наявності в атомах елементів у періодах чотири та вище періодів повної d-оболонки). Отже, заряд катіона, утворений втратою всіх валентних електронів, дорівнює номеру групи мінус 10. Наприклад, алюміній (у групі 13) утворює іони 3 + (Al 3+).

Винятки з очікуваної поведінки стосуються предметів, що знаходяться внизу груп. На додаток до очікуваних іонів Tl 3+, Sn 4+, Pb 4+ і Bi 5+, часткова втрата електронів з валентної оболонки цих атомів може також призвести до утворення іонів Tl +, Sn 2+, Pb 2+ і Bi 3 +, Утворення цих катіонів 1 +, 2 + і 3 + пояснюється ефектом інертної пари, який відображає відносно низьку енергію пари валентних електронів для атомів важких елементів групи 13, 14 і 15. Ртуть (група 12) також виявляє несподівану поведінку: вона утворює двохатомний іон, \ (\ ce \) (іон, утворений з двох атомів ртуті, з зв'язком Hg-Hg), крім очікуваний одноатомний іон Hg 2+, (утворений з одного атома ртуті).

Перехідні елементи та внутрішні перехідні метали поводяться по-різному від елементів основної групи. У більшості катіонів перехідних металів є 2+ або 3+ заряди, які виникають внаслідок втрати їх найперших електронів (ів) спочатку, іноді слідують втрати одного або двох d електронів із самої зовнішньої оболонки поруч із крайньою. Наприклад, залізо (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2) утворює іон Fe 2+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6) за рахунок втрати 4s електронів та іона Fe 3+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5) через втрату 4s електронів та одного з 3d електронів. Хоча d-орбіталі перехідних елементів, згідно з принципом Ауфбау, заповнюються останніми при створенні електронних конфігурацій, найдальші електрони першими втрачаються, коли ці атоми іонізуються. Коли внутрішні перехідні метали утворюють іони, вони, як правило, мають заряд 3 +, що виникає в результаті втрати їхніх зовнішніх електронів і d або f електрона.

Приклад \ (\ PageIndex \): ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОННИХ СТРУКТУР КАТІОНІВ

Існує щонайменше 14 елементів, віднесених до категорії "необхідних мікроелементів" для людського організму. Їх називають "необхідними", оскільки вони потрібні для здорових функцій організму, "слідами", оскільки вони потрібні лише в невеликих кількостях, і "елементами", хоча насправді вони є іонами. Два з цих необхідних мікроелементів, хром і цинк, необхідні як Cr 3+ і Zn 2+. Напишіть електронні конфігурації цих катіонів.

Рішення

Спочатку напишіть електронну конфігурацію для нейтральних атомів:

Далі видаліть електрони з вищої енергії орбіталі. Для перехідних металів електрони спочатку видаляються з s-орбіталі, а потім з d-орбіталі. Для елементів p-блоку електрони видаляються з p-орбіталей, а потім із s-орбіталі. Цинк входить до групи 12, тому він повинен мати заряд 2 +, і тому він втрачає лише два електрони в своїй орбіталі. Хром є перехідним елементом і повинен втратити s-електрони, а потім і d-електрони, утворюючи катіон. Таким чином, ми знаходимо такі електронні конфігурації іонів:

  • Zn 2+: [Ar] 3d 10
  • Cr 3+: [Ar] 3d 3

Калій і магній необхідні в нашому раціоні. Напишіть електронні конфігурації очікуваних іонів цих елементів.

K +: [Ar], Mg 2+: [Ne]

Електронні структури аніонів

Більшість одноатомних аніонів утворюються, коли нейтральний неметалевий атом отримує достатню кількість електронів, щоб повністю заповнити його зовнішні s та p орбіталі, таким чином досягаючи електронної конфігурації наступного благородного газу. Тому легко визначити заряд на такому негативному іоні: заряд дорівнює кількості електронів, яку потрібно отримати, щоб заповнити s та p орбіталі головного атома. Наприклад, кисень має електронну конфігурацію 1s 2 2s 2 2p 4, тоді як аніон кисню має електронну конфігурацію неона благородного газу (Ne), 1s 2 2s 2 2p 6. Два додаткові електрони, необхідні для заповнення валентних орбіталей, дають іонному іону заряд 2 - (O 2–).

Приклад \ (\ PageIndex \): ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОННОЇ СТРУКТУРИ АНІОНІВ

Селен та йод - два необхідні мікроелементи, що утворюють аніони. Напишіть електронні конфігурації аніонів.

Рішення

Напишіть електронні конфігурації атома фосфору та його негативного іона. З аніонного заряду.

Резюме

Атоми можуть отримувати або втрачати електрони, утворюючи іони з особливо стабільною електронною конфігурацією. Заряди на катіонах, утворених репрезентативними металами, можуть бути легко визначені, оскільки, за невеликим винятком, електронні структури цих іонів мають конфігурацію благородного газу або повністю заповнену електронну оболонку. Заряди на аніонах, утворених неметалами, також можна легко визначити, оскільки ці іони утворюються, коли неметалеві атоми отримують достатню кількість електронів, щоб заповнити їх валентні оболонки.