Ионная связь

Ковалентная химическая связь возникает между атомами неметаллов, которые имеют одинаковую или не очень сильно различающуюся электроотрицательность. (Δχ < 1,7).

Ионную связь можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи, когда взаимодействующие атомы настолько сильно отличаются по электроотрицательности (Δχ > 1,7), что более электроотрицательный атом полностью смещает на себя общую электронную пару и превращается в результате этого в отрицательно заряженный ион. Менее электроотрицательный атом, наоборот, теряет свой валентный электрон, выделенный на образование общей пары и превращается в положительно заряженный ион. Между противоположно заряженными частицами – ионами возникают кулоновские силы притяжения, которые называются в этом случае ионной связью.

Ионная связь возникает, как правило, между атомами типичных металлов и типичных неметаллов.

Рассмотрим возникновение ионной связи на примере взаимодействия между собой атомов натрия и фтора.

При сближении этих атомов s – электронное облако натрия и р – электронное облако фтора перекрываются между собой, образуя общую электронную пару, которая затем полностью смещается к более электроотрицательному атому F (рис. 24).

Рис. 24. Схема образования ионной связи при взаимодействии атомов натрия и фтора

Присоединив к себе электрон атома натрия, атом фтора приобретает устойчивую электронную конфигурацию газа неона и превращается в отрицательно заряженный ион.

Атом натрия, потеряв свой электрон с внешнего слоя, приобретает устойчивую электронную конфигурацию благородного газа неона и превращается в положительно заряженный ион.

Таким образом, процесс образования ионной связи сводится к переходу электронов от атомов менее электроотрицательных элементов к атомам более электроотрицательных элементов с образованием противоположно заряженных ионов, имеющих завершенные электронные конфигурации внешних энергетических уровней.

Установлено, что в действительности при образовании ионной связи не происходит полного перехода электрона от одного атома к другому. Так, например, даже в молекуле CsF (Δχ =3,25) эффективный заряд атома F составляет 0,89 заряда электрона (δ = ─ 0,89), а для атома Cs, соответственно, δ = + 0,89.

В случае других соединений, для которых Δχ еще меньше, эффективные заряды на атомах могут еще в большей мере отличаться от единичных, поэтому следует говорить об ионной связи с определенной долей ковалентной.

Неполное разделение зарядов в ионных соединениях можно объяснить также взаимной поляризацией ионов, т.е. влиянием их друг на друга, которое приводит к деформации электронных оболочек ионов (рис. 25).

Рис. 25. Смещение электронного облака аниона в результате поляризации

В отличие от ковалентной связи, ионная связь не обладает направленностью и насыщаемостью. Это объясняется тем, что электрическое поле иона обладает сферической симметрией, т.е. убывает с расстоянием по одному и тому же закону в любом направлении. Поэтому взаимодействие между ионами осуществляется одинаково независимо от направления и не приводит к компенсации их электрических полей. У каждого иона сохраняется способность притягивать ионы противоположного знака по другим направлениям.

Это приводит к тому, что соединения с ионной связью не имеют молекулярной структуры, а являются твердыми веществами, представляющими собой гигантские ассоциации ионов противоположных знаков, расположенных в определенном порядке, в форме ионного кристалла (рис. 26).

На рисунке представлено строение кристалла натрий хлорида NaCl, состоящего из катионов Na⁺ и анионов Cl^-. Из него видно, что каждый ион натрия окружен шестью ионами хлора, а каждый ион хлора – шестью ионами натрия.

Рис. 26. Схема кристаллической решетки NaCl

Число соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле, называется координационным числом.

В кристалле NaCl координационное число обоих ионов равно 6.

Координационные числа ионных соединений зависят, в первую очередь, от соотношения размеров катионов и анионов.

Соединения с ионной связью обладают высокой твердостью, тугоплавки и нелетучи. К ним относятся бинарные соединения, образованные металлами и неметаллами, например, оксиды металлов, гидриды, нитриды и т.д., а также основания, соли.

В основаниях и солях в образовании ионной связи часто принимают участие не только простые ионы, состоящие из одного атома: F^-, Na⁺, S^2-, Ca²⁺, но и сложные ионы, образованные атомами разных видов: ОН^-, SO₄^2-, PO₄^3-, CO₃^2-, NH₄⁺, НСО₃^-. Причем атомы в таком сложном ионе связаны между собой ковалентными полярными связями.