イオン結合

食塩の結晶では、どのナトリウムイオンにもちょうど六つの塩化物イオンがとなり合い、どれも282 pm離れています。

食塩の粒を虫めがねで見ると、その多くは小さな立方体です。その形は、内部で起きていることの手がかりです。塩化ナトリウムは別々の分子でできているのではありません。ナトリウムイオンと塩化物イオンがあらゆる方向に交互に並んだ規則正しい三次元の格子で、目に見える立方体はその格子が何百万回もくり返されたものです。

電子を渡す・受け取る

ナトリウム原子には11個の電子があり、2、8、1と並んでいます。最外殻のただ一つの電子は弱くしか引きつけられていないので、ナトリウムはそれを失ってネオンと同じ閉殻になれます。陽子は11個なのに電子は10個になるので、陽イオンNa⁺になります。塩素原子には17個の電子があり、2、8、7と並んでいて、閉殻まであと一つです。塩素は電子を一つ受け取り、アルゴンと同じ18個の電子をもつCl⁻になります。ナトリウムの電気陰性度は0.93、塩素は3.16です。これほど差が大きいと、電子は共有されずに持ち主が変わります。

反対の電荷は引き合い、その引力がイオン結合です。この引力は一つの方向を向いているわけではありません。どのNa⁺もまわりのすべてのCl⁻を引きつけ、どのCl⁻もすべてのNa⁺を引きつけます。いちばん安定な詰まり方は、モデルに示した岩塩型の配置です。どのイオンも反対の電荷をもつ六つのイオンに、上下・左右・前後から90°ずつの向きで囲まれています。となり合う中心どうしの距離は282 pmで、くり返し単位の立方体の一辺564 pmの半分です。

化学式の書き方

別々の分子がないので、イオンからなる物質の化学式はイオンの数の比だけを表します。NaClは塩素一つにつきナトリウム一つという意味です。電荷の合計はゼロにならなければなりません。マグネシウムはMg²⁺になるので、塩化物イオンが二つ必要です。MgCl₂です。アルミニウムはAl³⁺、酸素はO²⁻になります。+3と−2をつり合わせる最小の整数は、アルミニウム二つと酸素三つで、Al₂O₃です。1族の金属は1+、2族は2+のイオンになり、17族の非金属は1−、16族は2−のイオンになります。

イオン結合が性質に与える影響

どのイオンも多くのイオンに囲まれて引きつけられているので、結晶をばらばらにするには大きなエネルギーが必要です。塩化ナトリウムは801 °Cで融解し、家庭のオーブンよりはるかに高温です。固体の食塩はイオンが動けないので電気を通しません。融解するか水に溶かすとイオンが動けるようになり、液体は電気を通します。イオン結晶はもろくもあります。食塩の結晶を強くたたくと一つの層がずれ、同じ電荷どうしが向かい合って反発し、結晶は平らな面に沿って割れます。

イオンの大きさは、もとの原子と同じではありません。最外殻を失ったナトリウムはイオン半径が約102 pmに縮み、電子が一つ増えた塩化物イオンは約181 pmにふくらみます。空間充填モデルでは、大きな緑の塩化物イオンが空間の大部分を占め、小さな紫のナトリウムイオンがそのすき間におさまっています。

食塩が水に溶けるとき、格子はイオン一つずつばらばらになります。水分子がそれぞれのイオンを取り囲みます。わずかに負に帯電した酸素の側がNa⁺に向き、わずかに正に帯電した水素の側がCl⁻に向きます。こうして囲まれたイオンは結晶から離れ、水の中に広がります。溶けたイオンは動けるので食塩水は電気を通し、これが電気機器と海水の組み合わせが危険な理由の一つです。水分子に電荷を帯びた端がある理由は、極性の単元でわかります。