Йонна връзка в химията: определение, механизъм и примери (NaCl)

Йонната връзка е електростатичната сила на привличане между един положително зареден катион (обикновено метал) и един отрицателно зареден анион (обикновено неметал), които са подредени в голяма йонна кристалнарешетка. В практическо отношение йонната връзка възниква, когато един атом отдаде електрон(и), а друг приеме електрон(и); резултатът са стабилни заредени частици (йони), които се задържат заедно от силни електростатични сили. В повечето случаи участват метали и неметали, защото металите лесно отдават електрони, а неметалите — лесно ги приемат (неметален, метален, атоми, йони).

Как се образува йонна връзка (механизъм)

Процесът включва две основни стъпки:

Металният атом се окислява (изгубва един или повече електрони) и се превръща в катион (например Na → Na⁺ + e^-).
Неметалният атом приема електрон(и) и се превръща в анион (например ½ Cl₂ + e^- → Cl^-).

Крайният енергетичен баланс зависи от енергията, необходима за отделяне на електрон(и) (енергия на йонизация), от енергията, освободена при приемане на електрони (електронен афинитет) и — много важно — от решетъчната енергия, която се освобождава при подреждането на йоните в кристалната мрежа. Ако освободената енергия е по-голяма от вложената, образуването на йонното съединение е стабилно (пример: NaCl).

Пример: натрий и хлор (NaCl)

Класически пример за йонно съединение е обикновената готварска сол NaCl. Когато реагират натрий и хлор:

2Na(s) + Cl₂(g) → 2 NaCl(s)

На атомно ниво: всеки натриев атом отдава един електрон и става натриев катион Na⁺, а всеки хлорен атом приема електрон и става хлорид Cl^-. Получените противоположно заредени йони се привличат и подреждат в характерна кристална структура (тип "rock salt"). В структурата на NaCl всеки Na⁺ е координиран от шест Cl^- и обратното (координационно число 6).

Основни свойства на йонните вещества

Високи точки на топене и кипене: силните електростатични връзки между йоните изискват големи енергии за разрушаване на решетката.
Твърдост и чупливост: йонните кристали са твърди, но крехки — при изместване на равнини с еднакви заряди се получава отблъскване и материалът се чупи.
Електропроводимост: в твърдо състояние йоните са закрепени в решетката и не провеждат ток; в разтопено състояние или във водни разтвори йоните се движат и веществото провежда електричество.
Разтворимост във вода: много йонни съединения са добре разтворими, тъй като енергията на хидратация компенсира разрушаването на решетката; обаче степента на разтворимост зависи от съотношението решетъчна енергия/енергия на хидратация.

Кристална структура

Йонните вещества образуват различни типове кристални решетки в зависимост от размерите и заряди на йоните. Типични структури са:

Тип NaCl (rock salt) — координационно число 6:6.
Тип CsCl — координационно число 8:8.
Тип ZnS (цирконова, алеотропна) — координационно число 4:4 при частичен ковалентен характер.

Граници и междинни случаи

Връзката между две частици рядко е „чисто“ йонна или „чисто“ ковалентна — съществува континуум. Някои фактори увеличават ковалентния характер на връзката, например малък радиус и висок заряд на катиона (силна поляризация на аниона) — това е описано от правилата на Fajans. Поради това някои метални халогениди на леки катиони показват по-голяма ковалентна природа (напр. LiCl в сравнение с NaCl). Също така преходните метали могат да образуват много различни заряди и типове връзки.

Други примери

MgO — силно йонно с много висока точка на топене.
CaCl₂ — типично йонно съединение с двувалентен катион.
NH₄Cl — съдържа полиекотоматен катион (NH₄⁺) и анион Cl^-, показва, че йонните съединения могат да включват и комплексни йони.

Обобщение: Йонната връзка представлява силно електростатично привличане между катиони и аниони, което води до образуването на кристални твърди вещества с характерни свойства (високи точки на топене, проводимост в разтвор/течно състояние и т.н.). Реалните съединения често имат и частичен ковалентен характер в зависимост от размера и заряда на йоните.

Характеристики на йонните връзки

Триизмерна йонна структура, наречена гигантска йонна кристална решетъчна структура.
Йонните съединения са разтворими във вода, тъй като йоните образуват благоприятни взаимодействия с молекулите на водата, които освобождават достатъчно енергия, за да се откъснат от решетката.

В твърдо състояние те не провеждат електричество. В течно състояние обаче или когато са разтворени във вода, те провеждат добре електричество, тъй като йоните са свободни да се движат и могат да пренасят заряд.
Те се различават от характеристиките на ковалентните връзки.
Понякога, ако нямат свободен валентен електрон, който да създаде пълна обвивка, един от тях ще действа като два и ще се върти в осмица около двата атома.
Йонните връзки обикновено са много по-слаби от ковалентните.
Йонните съединения имат висока температура на топене/кипене поради силните електростатични сили на привличане, за преодоляването на които е необходимо голямо количество топлинна енергия.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява йонната връзка?

О: Йонната връзка е електростатичната сила на привличане между неметален и метален йон в гигантска йонна кристална решетка.

В: Как възниква йонната връзка?

О: Йонната връзка възниква, когато заредените атоми (йони) се привличат. Това се случва, след като метален атом изгуби един или повече от електроните си в полза на неметален атом.

В: Какво прави йонната връзка по-силна?

О: Колкото по-голяма е разликата в заряда между металния и неметалния йон, толкова по-силна е йонната връзка.

Въпрос: Колко електрона могат да бъдат прехвърлени в процеса на създаване на йонна връзка?

О: В процеса могат да се прехвърлят максимум три електрона.

В: Какво се случва с метален атом по време на йонна връзка?

О: Метален атом става положителен катион, защото губи електрон(и).

В: Какво се случва с неметален атом по време на йонна връзка?

О: Неметалният атом се превръща в отрицателен анион, тъй като получава електрон(и).

В: Можете ли да опишете пример за йонна връзка?

О: Пример за йонна връзка е съединяването на натрий и хлор, за да се образува обикновената готварска сол NaCl. Първо, натриевите атоми (Na) се окисляват и губят един електрон, за да образуват положително заредени натриеви йони (Na+). Хлорните атоми получават електрони от натриевите атоми, за да образуват отрицателно заредени хлоридни йони (Cl-). И двата йона сега са противоположно заредени и се задържат от силни електростатични сили на привличане.