5.6. Ионная связь

Ионная¹ связь – это химическая связь, которая образуется катионом² и анионом³ в результате их электростатического притяжения. Эта связь является предельным случаем полярности ковалентной связи, так как происходит значительное смещение электронной пары связи к наиболее электроотрицательному атому, который приобретает отрицательный заряд и превращается в анион. Атом, лишившийся своего электрона, превращается в положительно заряженный катион.

Иногда механизм образования ионной связи называют «гарпунным». Более электроположительный атом как бы «забрасывает» свой электрон на более электроотрицательный атом и «подтягивает» его к себе за счёт электрического притяжения образовавшихся ионов.

Ионная связь не обладает насыщаемостью, не имеет направленности и повышенной электронной плотности в области связывания.

Каждый ион окружён сферическим электрическим полем, действующим на любой другой противоположно заряженный ион вне зависимости от места его расположения. Сила притяжения определяется величиной заряда и расстоянием между ионами в соответствии с законом Кулона⁴:

.

В газах, жидкостях и кристаллах каждый ион стремится окружить себя наибольшим числом ионов противоположного заряда. Если представить ионы в виде несжимаемых сфер, то они располагаются в кристаллах друг около друга в определённом порядке, позволяющем занять минимально возможный объём с минимальной потенциальной энергией.

Проекция ионной кристаллической решётки

Отсутствие у ионной связи насыщаемости и направленности приводит к образованию ионных кристаллов, представляющих собой как быгигантские полимерные молекулы. Каждый ионный кристалл может и дальше увеличиваться в размерах путём присоединения к его поверхности в процессе кристаллизации всё новых и новых положительных и отрицательных ионов.

Понятие валентности к ионной связи неприменимо. Каждый ион имеет неограниченное число связей с другими ионами, находящимися относительно этого иона в ближнем и дальнем порядке. Однако идеальной ионной связи не существует. Даже при взаимодействии щелочных металлов с галогенами не происходит полного удаления электрона от атома металла и присоединения его к атому галогена. Электрон, правильнее электронная плотность, лишь смещается к атому галогена, образуя около него область повышенной электронной плотности. В области между ионами Nа⁺ и С1^– сохраняется незначительное перекрывание атомных орбиталей (образуется небольшой электронный мостик между ядрами атомов).

1.3. Химическая связь Характеристики химической связи

Химическая связь возникает при взаимодействии атомов, приводящем к образованию химически устойчивой двух- или многоатомной системы (молекулы, кристалла).

Рассмотрим образование химической связи на примере взаимодействия атомов водорода H. При сближении двух атомов водорода их сферические электронные облака перекрываются. Такое перекрывание возможно, если электроны имеют антипараллельные спины.

Электронная плотность в области перекрывания электронных облаков повышается, следовательно, увеличивается сила притяжения между атомами. Возникает система, в которой два атомных ядра взаимодействуют с двумя электронами, что приводит к выделению энергии, поэтому общая энергия системы уменьшается и система становится более устойчивой.

Схематичное изображение молекулы водорода Н₂ показывает электростатическое взаимодействие противоположно заряженных частиц (протонов и электронов) – взаимное притяжение и взаимное отталкивание частиц с одинаковым знаком заряда (электронов или протонов).

Система имеет минимум энергии при определённом расстоянии между ядрами атомов; при дальнейшем сближении атомов энергия начинает увеличиваться вследствие возрастания сил отталкивания между ядрами.

Химическая связь возникает только в том случае, если полная энергия взаимодействующих атомов уменьшается. Следовательно, при образовании химической связи энергия выделяется (процесс экзотермический).

Характеристиками химической связи являются её энергия и длина.

Энергией химической связи называют то количество энергии, которое выделяется при образовании химической связи. Эта величина является характеристикой прочности связи; и её выражают в кДж на 1 моль образовавшегося вещества.

Чем больше энергия связи, тем прочнее связь. Энергию химической связи оценивают, сравнивая с состоянием, предшествующим образованию химической связи (для двухатомных молекул). Для трёх- и многоатомных молекул с одинаковым типом химической связи рассчитывают среднюю энергию связи.

Средняя энергия связи в молекуле определяется делением энергии образования молекулы на число химических связей.

Длиной химической связи называют расстояние между ядрами атомов в молекуле.

Длина связи обусловлена размерами реагирующих атомов и степенью перекрывания их электронных облаков.