Введение
Химические связи, включающие притяжение между ионами.
Ионная связь – это тип химической связи, который включает в себя электростатическое притяжение между разноименно заряженными ионами или между двумя атомами с существенно различающимися значениями электроотрицательности и является основным взаимодействием, наблюдаемым в ионных соединениях. Это один из основных типов связи, наряду с ковалентной и металлической. Ионы – это атомы (или группы атомов), обладающие электростатическим зарядом. Атомы, принимающие электроны, образуют отрицательно заряженные ионы (анионы). Атомы, отдающие электроны, образуют положительно заряженные ионы (катионы). Этот перенос электронов известен как электровалентность, в отличие от ковалентности. В простейшем случае катионом является атом металла, а анионом – неметалл, однако эти ионы могут быть более сложными, например, молекулярными ионами, такими как NH4+ или SO42−. Проще говоря, ионная связь возникает в результате переноса электронов от металла к неметаллу для достижения заполненной валентной оболочки у обоих атомов. Полностью ионной связи, при которой один атом или молекула полностью передает электрон другому, не существует: все ионные соединения в той или иной степени обладают ковалентной связью или разделением электронов. Таким образом, термин "ионная связь" используется, когда ионный характер преобладает над ковалентным, то есть когда между двумя атомами существует значительная разница в электроотрицательности, что делает связь более полярной (ионной), чем ковалентная связь, где электроны распределены более равномерно. Связи, обладающие как ионными, так и ковалентными характеристиками, называются полярными ковалентными связями. Ионные соединения проводят электричество в расплавленном или растворенном состоянии, но обычно не проводят в твердом. Ионные соединения, как правило, имеют высокую температуру плавления, которая зависит от заряда составляющих их ионов. Чем выше заряд, тем сильнее силы сцепления и выше температура плавления. Они также, как правило, растворимы в воде; чем сильнее силы сцепления, тем ниже растворимость.
Обзор
Атомы, имеющие почти полную или почти пустую валентную оболочку, как правило, очень реакционноспособны. Сильно электроотрицательные атомы (такие как галогены) часто имеют всего одно или два незаполненных электронных состояния в своей валентной оболочке и часто образуют связи с другими атомами или присоединяют электроны, образуя анионы. Слабо электроотрицательные атомы (например, щелочные металлы) имеют относительно мало валентных электронов, которые могут легко отдавать сильно электроотрицательным атомам. В результате слабо электроотрицательные атомы склонны к деформации своего электронного облака и образованию катионов.
Свойства ионных связей
Считается, что они одни из самых прочных типов химических связей. Это часто обуславливает высокую стабильность ионных соединений. Ионные связи характеризуются высокой энергией связи. Энергия связи – это среднее количество энергии, необходимое для разрыва связи в газовой фазе. Большинство ионных соединений существует в виде кристаллической структуры, где ионы расположены в узлах кристаллической решетки. Такая структура и называется кристаллической решеткой. Ионные соединения разрушают свою кристаллическую решетку и диссоциируют на ионы при растворении в воде или любом другом полярном растворителе. Этот процесс называется сольватацией. Присутствие этих свободных ионов обеспечивает хорошую электропроводность водных растворов ионных соединений. Аналогичный процесс происходит при нагревании соединений выше температуры плавления, который известен как плавление.
Структуры
Ионные соединения в твердом состоянии образуют решетчатые структуры. Два главных фактора, определяющих форму решетки, – относительные заряды ионов и их относительные размеры. Некоторые структуры используются многими соединениями; например, структура хлорида натрия, известного как каменная соль, также характерна для многих галогенидов щелочных металлов и бинарных оксидов, таких как оксид магния. Правила Полинга предоставляют рекомендации для предсказания и объяснения кристаллической структуры ионных кристаллов.
Прочность соединения
Для твердого кристаллического ионного соединения изменение энтальпии при образовании твердого тела из газообразных ионов называется энергией решетки. Экспериментальное значение энергии решетки можно определить с помощью цикла Борна-Хабера. Ее также можно рассчитать (предсказать) с помощью уравнения Борна-Ланде как сумму электростатической потенциальной энергии, вычисляемой путем суммирования взаимодействий между катионами и анионами, и члена короткодействующей потенциальной энергии отталкивания. Электростатический потенциал может быть выражен через расстояние между ионами и константу (постоянную Маделунга), учитывающую геометрию кристалла. Чем дальше от ядра, тем слабее экранирование. Уравнение Борна-Ланде обеспечивает разумное соответствие энергии решетки, например, для хлорида натрия, где рассчитанное (предсказанное) значение составляет −756 кДж/моль, что сопоставимо с −787 кДж/моль, полученным с помощью цикла Борна-Хабера. В водном растворе прочность связывания может быть описана уравнением Бьеррума или Фуосса как функция ионных зарядов, мало зависящая от природы ионов, таких как поляризуемость или размер. Прочность солевых мостов чаще всего оценивается путем измерения равновесий между молекулами, содержащими катионные и анионные центры, как правило, в растворе. Константы равновесия в воде указывают на аддитивные вклады в свободную энергию для каждого солевого моста. Другим методом идентификации водородных связей, в том числе в сложных молекулах, является кристаллография, а также иногда спектроскопия ЯМР. Притягательные силы, определяющие прочность ионной связи, могут быть смоделированы законом Кулона. Прочность ионных связей обычно (приводимые диапазоны варьируются) составляет от 170 до 1500 кДж/моль.
Эффекты поляризации
Ионы в кристаллических решетках чисто ионных соединений сферические; однако, если положительный ион мал и/или имеет высокий заряд, он искажает электронное облако отрицательного иона, что описывается правилами Фаянса. Эта поляризация отрицательного иона приводит к увеличению плотности заряда между ядрами, то есть к частичному ковалентному характеру связи. Более крупные отрицательные ионы поляризуются легче, но эффект обычно заметен только при участии положительных ионов с зарядом 3+ (например, Al3+). Тем не менее, ионы 2+ (Be2+) и даже 1+ (Li+) проявляют некоторую поляризующую способность из-за своих малых размеров (например, LiI является ионным соединением, но содержит долю ковалентной связи). Следует отметить, что это не эффект ионной поляризации, связанный со смещением ионов в решетке под действием электрического поля.