Ionbindingen

Elk natriumion in een zoutkristal heeft precies zes chloride-buren, alle op 282 pm.

Kijk met een vergrootglas naar korrels keukenzout en veel ervan zijn piepkleine kubussen. Die vorm is een aanwijzing voor wat er binnenin gebeurt. Natriumchloride bestaat niet uit losse moleculen. Het is een regelmatig driedimensionaal rooster van natriumionen en chlorideionen, afwisselend in elke richting, en de kubus die je ziet is dat rooster vele miljoenen keren herhaald.

Elektronen geven en nemen

Een natriumatoom heeft 11 elektronen gerangschikt 2, 8, 1. Zijn enige buitenste elektron wordt zwak vastgehouden, dus natrium kan het verliezen en overhouden met de volle schil van neon. Met 11 protonen maar 10 elektronen wordt het een positief ion, Na⁺. Een chlooratoom heeft 17 elektronen gerangschikt 2, 8, 7, één tekort voor een volle schil. Het neemt een elektron op en wordt Cl⁻, met 18 elektronen zoals argon. De elektronegativiteit van natrium is 0.93 en die van chloor 3.16. Bij zo'n groot verschil wordt het elektron niet gedeeld; het wisselt van eigenaar.

Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, en die aantrekking is de ionbinding. Ze wijst niet in één richting. Elk Na⁺ trekt aan elk Cl⁻ eromheen, en elk Cl⁻ aan elk Na⁺. De stabielste manier om ze te pakken is de steenzoutstructuur uit het model: elk ion heeft zes buren met tegengestelde lading, boven, onder, links, rechts, voor en achter, onder 90° ten opzichte van elkaar. De afstand tussen naburige middelpunten is 282 pm, de helft van de 564 pm lange ribbe van de zich herhalende kubus.

De formule schrijven

Omdat er geen losse moleculen zijn, geeft de formule van een ionaire verbinding alleen de verhouding van de ionen. NaCl betekent één natrium per chloor. De ladingen moeten tot nul balanceren. Magnesium vormt Mg²⁺, dus het heeft twee chlorideionen nodig: MgCl₂. Aluminium vormt Al³⁺ en zuurstof vormt O²⁻; de kleinste gehele getallen die +3 en −2 balanceren zijn twee aluminium en drie zuurstof, Al₂O₃. Metalen uit groep 1 vormen 1+-ionen, groep 2 vormt 2+, niet-metalen uit groep 17 vormen 1− en groep 16 vormt 2−.

Wat ionbinding met eigenschappen doet

Elk ion wordt door veel buren vastgehouden, dus het kristal uit elkaar trekken kost veel energie. Natriumchloride smelt bij 801 °C, veel heter dan een keukenoven. Vast zout geleidt geen elektriciteit, omdat de ionen vastzitten. Smelt het, of los het op in water, en de ionen kunnen bewegen, dus de vloeistof geleidt. Ionkristallen zijn ook bros. Tik hard op een zoutkristal en een laag schuift; plotseling staan gelijke ladingen tegenover elkaar, stoten af, en het kristal splijt langs een vlak.

De ionen hebben niet dezelfde grootte als de atomen waar ze van kwamen. Het verlies van zijn buitenste schil krimpt natrium tot een ionstraal van ongeveer 102 pm, terwijl het extra elektron chloride doet zwellen tot ongeveer 181 pm. In het kalottenmodel vullen de grote groene chlorideionen het grootste deel van de ruimte en zitten de kleine paarse natriumionen in de gaten ertussen.

Als zout in water oplost, valt het rooster ion voor ion uit elkaar. Watermoleculen verdringen zich rond elk ion: de licht negatieve zuurstofuiteinden wijzen naar de Na⁺-ionen en de licht positieve waterstofuiteinden naar de Cl⁻-ionen. Zo omringd drijven de ionen weg van het kristal en verspreiden zich door het water. Omdat de opgeloste ionen kunnen bewegen, geleidt zout water elektriciteit, een reden waarom elektrische apparatuur en zeewater een gevaarlijke combinatie zijn. In de eenheid over polariteit zie je waarom watermoleculen geladen uiteinden hebben.