3.2 Ионная связь

Ионная связь осуществляется в результате образования и элект­ростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Она возможна только между атомами металлов и неметаллов, находя­щихся в состоянии разноименно заряженных ионов.

Ионы - это электрически заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул путем отдачи или приема электронов. Например, образование ионов Na⁺ и Сl осуществляется путем перехода электрона от атома натрия к атому хлора.

Na⁰ ( 1s² 2s² 2р⁶ 3s¹ ) Na⁺ ( 1s² 2s² 2p⁶ 3s° )

Cl⁰ (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ ) Сl (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ )

Ионы можно представить как заряженные шары, силовые поля которых равномерно распределяются во всех направлениях в пространстве. Ионная связь не обладает направленностью, поскольку каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака по любому на­правлению. Не обладает насыщаемостью, т.к. взаимодействие двух противоположно заряженных ионов не приводит к полной взаимной компенсации их полей, они сохраняют способность электростатически взаимодействовать с другими ионами.

Отсутствие у ионной связи направленности и насыщаемости обус­ловливает склонность ионных молекул к ассоциации, особенно при пе­реходе в жидкое и твердое состояние. Все ионные соединения в твердом состоянии имеют ионную кристаллическую решетку.

Ионы могут быть простыми, т.е. состоящими из одного атома (на­пример, катионы К⁺, Na⁺, анионы F^- Сl^- ) или сложными, состоящими из двух или более атомов (например, анионы S0₄ ^2-, N0₃^-).

Способность атомов элементов образовывать простые ионы обус­ловлена их электронной структурой. При низких значениях энергии ио­низации элемент образует катионы (s-элементы). Простые анионы легче образуют р-элементы 7 группы, имеющие большое сродство к электро­ну.

При присоединении электрона к атомам неметаллов выделяется энергия. Однако присоединение второго электрона требует затраты энергии, так что образование простых многозарядных анионов (0^2-,N^3-) оказывается энергетически невыгодным. Например, при присоединении одного электрона к атому кислорода выделяется 1,47эВ энергии, а при присоединении второго электрона - поглощается 8,3 эВ. Поэтому в та­ких соединениях как оксиды (BaO, Al₂0₃ ) или сульфиды (CuS, ZnS) не образуется «чисто» ионная связь, химическая связь имеет частично ко-валентный характер. Вместе с тем, многозарядные сложные анионы (С0₃^2-, SO₄^2-, PO₄ ^3-) могут быть энергетически устойчивыми, поскольку избыточные электроны распределены между несколькими атомами, так что эффективный заряд каждого из атомов не превышает заряда элект­рона.

Следовательно, соединений с ионной связью немного. К типичным соединениям с ионным типом связи относятся галогениды щелочных металлов, например NaCl, KF . Но даже в типичных ионных соединени­ях не происходит полного разделения отрицательного и положительного зарядов, т.е. полного перехода электрона от одного атома к другому. Так, в кристалле NaCl заряды ионов Na+ и Сl- составляют только по 0,85 заряда электрона.

Для простоты вместо эффективных зарядов обычно указывают це­лочисленные заряды ионов, имея в виду, что именно такие ионы образу­ются при электролитической диссоциации ионного соединения в раство­ре или расплаве.

Неполное разделение зарядов в ионных соединениях можно объяс­нить взаимной поляризацией ионов, т.е. влиянием их друг на друга, ко­торое приводит к деформации электронных оболочек ионов. Каждый ион является источником электрического поля, поэтому, взаимодейст­вуя, противоположно заряженные ионы поляризуют друг друга. Разные ионы под действием одного и того же электрического поля деформиру­ются в разной степени, т.е. имеют разную поляризуемость. Поляризуе­мость ионов с одинаковыми зарядами, обладающих аналогичным стро­ением внешнего электронного слоя, возрастает с увеличением размеров иона. Так, поляризуемость ионов щелочных металлов возрастает в ряду: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺ , а ионов галогенов в такой последовательности: F^- Сl, Вг^-, J^- , что объясняется большим удалением внешних электронов от ядра и следовательно, они слабее удерживаются ядром.

Степень поляризации анионов, как правило, значительно выше степени поляризации катионов.

Поляризующая способность ионов (их способность оказывать де­формирующее воздействие на другие ионы) также зависит от заряда и размера иона. Чем больше заряд иона, тем сильнее создаваемое им элек­трическое поле, поэтому наибольшей поляризующей способностью об­ладают многозарядные ионы. Поляризующая способность ионов одина­кового заряда и аналогичного электронного строения уменьшается с увеличением ионного радиуса. В ряду катионов щелочных металлов по­ляризующая способность падает от лития к цезию.

Радиусы анионов больше радиусов катионов, вследствие этого анионы обладают меньшей поляризующей способностью, чем катионы.

Таким образом, анионы по сравнению с катионами характеризуют­ся сильной поляризуемостью и слабой поляризующей способностью. Поэтому при взаимодействии разноименных ионов поляризации подвер­гается в основном анион, поляризацией катиона можно пренебречь.

В результате поляризующего действия катиона электронные обла­ка катиона и аниона разделяются не полностью, а частично перекрыва­ются, за счет смещения электронного облака аниона. Происходит как бы обратный перенос части электронной плотности от аниона к катиону. Поэтому связь между атомами из чисто ионной превращается в сильно полярную ковалентную связь. Этим и объясняется что заряды атомов в ионных соединениях оказываются меньшими, чем заряд электрона.

Чисто ионная связь есть предельный случай ковалентной полярной связи. Если степень ковалентности связи мала по сравнению со степе­нью ее ионности, то такая связь считается ионной. По Полингу химиче­ской связи с 50%-ной ионностью отвечает разность электроотрицательностей ( ЭО) равная 1,7. При больших различиях в значениях ЭО ато­мов, связь, преимущественно, ионная. Например: CsCl, ВаСl₂, MgCl₂, AlCl₃, SnCl₂, BiCl₃

ЭО= 2,3 2,1 1,8 1,5 1,2 1,1

Очевидно, что CsCl, ВаСl₂, MgCl₂ - ионные соединения, остальные хло­риды - ковалентные.