7.2: Ionic Bonding

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza malezi ya cations, anions, na misombo ionic
• Kutabiri malipo ya mambo ya kawaida ya metali na yasiyo ya metali, na kuandika usanidi wao wa elektroni

Kama umejifunza, ions ni atomi au molekuli zinazozaa malipo ya umeme. Cation (ion chanya) hutengeneza wakati atomu ya neutral inapoteza elektroni moja au zaidi kutoka ganda lake la valence, na anioni (ioni hasi) inaunda wakati atomu ya neutral inapata elektroni moja au zaidi katika ganda lake la valence.

Misombo linajumuisha ions huitwa misombo ya ionic (au chumvi), na ions zao zilizojitokeza zinafanyika pamoja na vifungo vya ionic: nguvu za umeme za mvuto kati ya cations na kushtakiwa kinyume na anions. Mali ya misombo ya ionic ilitoa mwanga juu ya asili ya vifungo vya ionic. Yabisi ya ioniki huonyesha muundo wa fuwele na huwa na rigid na brittle; pia huwa na pointi za kiwango cha juu na cha kuchemsha, ambacho kinaonyesha kuwa vifungo vya ioniki vina nguvu sana. Ioniki yabisi pia ni makondakta maskini ya umeme kwa sababu hiyo-nguvu ya vifungo ioniki huzuia ions kusonga kwa uhuru katika hali imara. Wengi ionic yabisi, hata hivyo, kufuta kwa urahisi katika maji. Mara baada ya kufutwa au kuyeyuka, misombo ya ionic ni watendaji bora wa umeme na joto kwa sababu ions zinaweza kuhamia kwa uhuru.

Atomi za neutral na ions zao zinazohusiana zina mali tofauti za kimwili na kemikali. Atomi za sodiamu huunda chuma cha sodiamu, laini, nyeupe-nyeupe chuma ambayo huwaka kwa nguvu katika hewa na humenyuka kwa maji. Atomi za klorini huunda gesi ya klorini, Cl ₂, gesi ya njano-kijani ambayo ni babuzi sana kwa metali nyingi na yenye sumu sana kwa wanyama na mimea. Mmenyuko mkali kati ya vipengele vya sodiamu na klorini hufanya nyeupe, kiwanja cha kloridi ya sodiamu, chumvi ya kawaida ya meza, ambayo ina cations ya sodiamu na anions ya kloridi (Mchoro 7.2). Kiwanja kilichoundwa na ions hizi huonyesha mali tofauti kabisa na mali ya vipengele vya sodiamu na klorini. Klorini ni sumu, lakini kloridi ya sodiamu ni muhimu kwa maisha; atomi za sodiamu huguswa kwa nguvu na maji, lakini kloridi ya sodiamu hupasuka tu

Kielelezo 7.2 (a) Sodiamu ni chuma laini ambacho kinapaswa kuhifadhiwa katika mafuta ya madini ili kuzuia majibu na hewa au maji. (b) Klorini ni gesi ya rangi ya njano-kijani. (c) Wakati wa pamoja, huunda fuwele nyeupe za kloridi ya sodiamu (chumvi la meza). (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Jurii” /Wikimedia Commons)

Uundaji wa misombo ya Ionic

Misombo ya ioniki ya binary inajumuisha vipengele viwili tu: chuma (ambacho huunda cations) na nonmetal (ambayo huunda anions). Kwa mfano, NaCl ni kiwanja cha ionic cha binary. Tunaweza kufikiri juu ya malezi ya misombo hiyo kwa suala la mali ya mara kwa mara ya vipengele. Vipengele vingi vya metali vina uwezo mdogo wa ionization na kupoteza elektroni kwa urahisi. Mambo haya yanalala upande wa kushoto kwa kipindi au karibu na chini ya kikundi kwenye meza ya mara kwa mara. Atomi zisizo za metali zina uhusiano wa juu wa elektroni na hivyo hupata urahisi elektroni zilizopotea na atomi za chuma, na hivyo kujaza shells zao za valence. Vipengele visivyo na metallic vinapatikana kwenye kona ya juu ya kulia ya meza ya mara kwa mara.

Kama vitu vyote vinapaswa kuwa vya umeme vya neutral, jumla ya mashtaka mazuri kwenye cations ya kiwanja cha ionic lazima iwe sawa na idadi ya mashtaka hasi kwenye anions zake. Fomu ya kiwanja cha ionic inawakilisha uwiano rahisi wa idadi ya ions muhimu ili kutoa idadi sawa ya mashtaka mazuri na hasi. Kwa mfano, formula ya oksidi alumini, Al ₂ O ₃, inaonyesha kuwa kiwanja hiki cha ioniki kina cations mbili za alumini, Al ³⁺, kwa kila anions tatu za oksidi, ^{O 2-} [hivyo, (2$\times$+3) + (3$\times$—2) = 0].

Ni muhimu kutambua, hata hivyo, kwamba formula ya kiwanja cha ionic haiwakilishi utaratibu wa kimwili wa ions zake. Si sahihi kutaja “molekuli” ya kloridi ya sodiamu (NaCl) kwa sababu hakuna dhamana moja ya ioniki, kwa se, kati ya jozi yoyote maalum ya ioni za sodiamu na kloridi. Vikosi vya kuvutia kati ya ioni ni isotropiki-sawa katika mwelekeo wote-maana kwamba ion yoyote fulani inavutiwa sawa na ions zote za jirani za malipo kinyume. Hii inasababisha ions kujipanga wenyewe katika muundo tightly amefungwa, tatu-dimensional tani muundo. Kloridi ya sodiamu, kwa mfano, ina utaratibu wa kawaida wa idadi sawa ya Na ⁺ cations na Cl ^— anions (Kielelezo 7.3).

Kielelezo 7.3 atomi katika kloridi ya sodiamu (chumvi ya kawaida ya meza) hupangwa kwa (a) kuongeza mashtaka kinyume kuingiliana. Sehemu ndogo zinawakilisha ions za sodiamu, kubwa zinawakilisha ions za kloridi. Katika mtazamo uliopanuliwa (b), jiometri inaweza kuonekana wazi zaidi. Kumbuka kwamba kila ion ni “bonded” kwa wote wa ions jirani—sita katika kesi hii.

Kivutio kikubwa cha umeme kati ya Na ⁺ na Cl ^— ions kinashikilia kwa pamoja katika NaCl imara. Inahitaji 769 kJ ya nishati ya dissociate mole moja ya NaCl imara katika tofauti gesi Na ⁺ na Cl ^— ions:

$$\text{NaCl}(s)⟶{\text{Na}}^{\text{+}}(g)+{\text{Cl}}^{\text{—}}(g)\text{Δ}H=769\text{KJ}$$

Miundo ya umeme ya Cations

Wakati wa kutengeneza cation, atomi ya elementi ya kikundi kikuu huelekea kupoteza elektroni zake zote za valence, hivyo kuchukua muundo wa elektroniki wa gesi yenye heshima inayoitangulia katika meza ya mara kwa mara. Kwa makundi 1 (metali ya alkali) na 2 (metali ya alkali ya ardhi), namba za kikundi ni sawa na idadi ya elektroni za shell za valence na, kwa hiyo, kwa mashtaka ya cations yaliyotokana na atomi za vipengele hivi wakati elektroni zote za shell za valence zinaondolewa. ^{Kwa mfano, kalsiamu ni kipengele cha kikundi cha 2 ambacho atomi zisizo na neutral zina elektroni 20 na hali ya ardhi ya elektroni Configuration ya 1 s 2 s 2 s 2 p 6.} . Wakati atomi ya Ca inapoteza elektroni zake zote mbili za valence, matokeo yake ni cation yenye elektroni 18, malipo ya 2+, na usanidi wa elektroni wa 1 s ² 2 s 2 ² p ⁶ 2 p ⁶. Kwa hiyo ioni ya Ca ²⁺ ni isoelectronic na gesi yenye heshima Ar.

Kwa vikundi 13—17, namba za kikundi huzidi idadi ya elektroni za valence kwa 10 (uhasibu kwa uwezekano wa subshells kamili d katika atomi za elementi katika vipindi vya nne na zaidi). Hivyo, malipo ya mawasiliano yaliyoundwa na kupoteza elektroni zote za valence ni sawa na namba ya kikundi chini ya 10. Kwa mfano, alumini (katika kikundi 13) huunda ions 3+ (Al ³⁺).

Tofauti na tabia inatarajiwa kuhusisha mambo kuelekea chini ya vikundi. Mbali na ions inatarajiwa Tl ³⁺, Sn ⁴⁺, Pb ⁴⁺, na Bi ⁵⁺, hasara ya sehemu ya elektroni hizi valence shell atomi pia inaweza kusababisha malezi ya Tl ⁺, Sn ²⁺, Pb ²⁺, na Bi ³⁺ ions. Uundaji wa hizi 1+, 2+, na 3+ cations hutolewa kwa athari ya jozi ya ajizi, ambayo inaonyesha nishati ya chini ya jozi ya valence s -electron kwa atomi za vipengele nzito vya vikundi 13, 14, na 15. Mercury (kundi 12) pia inaonyesha tabia zisizotarajiwa: ni aina ioni diatomic,${\text{Hg}}_2{}^{\text{2+}}$(ioni inayotokana na atomi mbili za zebaki, na dhamana ya Hg-Hg), pamoja na ioni ya monatomiki inayotarajiwa Hg ²⁺ (inayotokana na atomi moja tu ya zebaki).

Mpito na mambo ya ndani ya mpito ya chuma hufanya tofauti na vipengele vikuu vya kikundi. Wengi mpito chuma cations na 2+au 3+ mashtaka kwamba matokeo kutokana na hasara ya yao ya nje s elektroni (s) kwanza, wakati mwingine ikifuatiwa na hasara ya elektroni moja au mbili d kutoka karibu na nje shell. Kwa mfano, chuma (1 s ² s 2 s ² p ⁶ 3 s ² p ⁶ 3 d ⁶ 4 s ²) huunda ion Fe ²⁺ (1 s ²) s ², 2 p ⁶, 3 s, ², 3 p ⁶) kwa kupoteza elektroni 4 s na ion (Fe ³⁺) (1 s, 2 s, ² s ²). p ⁶ 3 s ² 3 p ⁶ 3 d ⁵) kwa kupoteza elektroni 4 s na moja ya elektroni 3 d. Ingawa orbitals d ya mambo ya mpito ni-kulingana na kanuni ya Aufbau-mwisho kujaza wakati wa kujenga usanidi wa elektroni, elektroni ya nje s ni ya kwanza kupotea wakati atomi hizi ionize. Wakati metali za mpito za ndani zinaunda ioni, kwa kawaida huwa na malipo ya 3+, kutokana na kupoteza kwa elektroni zao za nje s na elektroni d au f.

Mfano 7.1

Kuamua Miundo ya Umeme ya Cations

Kuna angalau vipengele 14 vinavyowekwa kama “vipengele muhimu vya kufuatilia” kwa mwili wa binadamu. Wao huitwa “muhimu” kwa sababu wanahitajika kwa kazi za afya za mwili, “kufuatilia” kwa sababu zinahitajika tu kwa kiasi kidogo, na “vipengele” licha ya ukweli kwamba ni kweli ions. Mbili ya mambo haya muhimu ya kufuatilia, chromium na zinki, zinahitajika kama Cr ³⁺ na Zn ²⁺. Andika usanidi wa elektroni wa cations hizi.

Suluhisho

Kwanza, andika usanidi wa elektroni kwa atomi zisizo na upande:

Zn: [Ar] 3 ^{x 10} 4 s ²

Gari: [Ar] 3 d ⁵ x 4 s ¹

Kisha, ondoa elektroni kutoka kwenye orbital ya juu ya nishati. Kwa metali ya mpito, elektroni huondolewa kwenye orbital ya kwanza na kisha kutoka kwa d orbital. Kwa vipengele vya p -block, elektroni huondolewa kwenye orbitals p na kisha kutoka kwa orbital s. Zinki ni mwanachama wa kundi 12, hivyo ni lazima kuwa na malipo ya 2+, na hivyo kupoteza elektroni mbili tu katika s orbital yake. Chromium ni elementi ya mpito na inapaswa kupoteza s elektroni zake na kisha elektroni zake d wakati wa kutengeneza cation. Kwa hiyo, tunapata maandalizi yafuatayo ya elektroni ya ions:

Zn ²⁺: [Ar] 3 x ¹⁰

Gari ³⁺: [Ar] 3 d ³

Angalia Kujifunza Yako

Potasiamu na magnesiamu zinahitajika katika mlo wetu. Andika usanidi wa elektroni wa ions zinazotarajiwa kutoka kwa vipengele hivi.

Jibu:

K ⁺: [Ar], Mg ²⁺: [Ne]

Miundo ya umeme ya Anions

Anioni nyingi za monatomiki huunda wakati atomu isiyo ya kawaida isiyo na metali inapata elektroni za kutosha kujaza kabisa orbitals zake za nje na p, na hivyo kufikia usanidi wa elektroni wa gesi inayofuata yenye heshima. Hivyo, ni rahisi kuamua malipo juu ya ioni kama hiyo hasi: Malipo ni sawa na idadi ya elektroni ambayo inapaswa kupatikana kujaza s na p orbitals ya atomi mzazi. Oksijeni, kwa mfano, ina usanidi wa elektroni 1 s ² s ² s 2 p ⁴, ambapo anion ya oksijeni ina usanidi wa elektroni wa neon ya gesi yenye heshima (Ne), 1 s ^{2 2} s 2 p ⁶. Elektroni mbili za ziada zinazohitajika kujaza orbitali za valence zinatoa ioni ya oksidi malipo ya 2- (O ^2—).

Mfano 7.2

Kuamua Muundo wa Umeme wa Anions

Selenium na iodini ni mambo mawili muhimu ya kufuatilia ambayo huunda anions. Andika mipangilio ya elektroni ya anions.

Suluhisho

Se ^2—: [Ar] 3 d ¹⁰, 4 s ², 4 p ⁶

I ^—: [Kr] 4 d ¹⁰ 5 s ² 5 p ⁶

Angalia Kujifunza Yako

Andika usanidi wa elektroni wa atomi ya fosforasi na ion yake hasi. Kutoa malipo juu ya anion.

Jibu:

P: [Ne] 3 s ², 3 p ³; P ^{3 -}: [Ne] 3 s ², 3 p ⁶