Ионная связь

У каждого иона натрия в кристалле соли ровно шесть соседей-хлорид-ионов, и все на расстоянии 282 пм.

Посмотри на крупинки поваренной соли через лупу: многие из них похожи на крошечные кубики. Эта форма подсказывает, что происходит внутри. Хлорид натрия не состоит из отдельных молекул. Это правильная трёхмерная решётка из ионов натрия и хлорид-ионов, которые чередуются во всех направлениях, а видимый кубик является этой решёткой, повторённой много миллионов раз.

Отдать и забрать электроны

У атома натрия 11 электронов, распределённых как 2, 8, 1. Единственный внешний электрон удерживается слабо, поэтому натрий может его потерять и остаться с заполненной оболочкой, как у неона. При 11 протонах и всего 10 электронах он становится положительным ионом Na⁺. У атома хлора 17 электронов, распределённых как 2, 8, 7, и до заполненной оболочки не хватает одного. Он забирает электрон и становится Cl⁻ с 18 электронами, как у аргона. Электроотрицательность натрия 0.93, хлора 3.16. При таком большом разрыве электрон не становится общим, он меняет владельца.

Противоположные заряды притягиваются, и это притяжение и есть ионная связь. Она не направлена в одну сторону. Каждый Na⁺ притягивает все окружающие Cl⁻, а каждый Cl⁻ все Na⁺. Самая устойчивая упаковка показана в модели, это структура каменной соли: у каждого иона шесть соседей с противоположным зарядом, сверху, снизу, слева, справа, спереди и сзади, под углом 90° друг к другу. Расстояние между центрами соседей составляет 282 пм, половину ребра повторяющегося куба длиной 564 пм.

Как записать формулу

Отдельных молекул нет, поэтому формула ионного соединения показывает только соотношение ионов. NaCl означает один натрий на каждый хлор. Сумма зарядов должна быть равна нулю. Магний образует Mg²⁺, поэтому ему нужны два хлорид-иона: MgCl₂. Алюминий образует Al³⁺, а кислород O²⁻; наименьшие целые числа, при которых +3 и −2 уравновешиваются, дают два алюминия и три кислорода, Al₂O₃. Металлы группы 1 образуют ионы 1+, группы 2 ионы 2+, неметаллы группы 17 ионы 1−, а группы 16 ионы 2−.

Как ионная связь влияет на свойства

Каждый ион удерживают много соседей, поэтому, чтобы разобрать кристалл, нужно много энергии. Хлорид натрия плавится при 801 °C, гораздо горячее кухонной духовки. Твёрдая соль не проводит электричество, потому что ионы закреплены на местах. Расплавь её или раствори в воде, и ионы смогут двигаться, так что жидкость будет проводить ток. Ионные кристаллы ещё и хрупкие. Сильно стукни по кристаллу соли, и один слой сдвинется; одноимённые заряды вдруг окажутся напротив друг друга, оттолкнутся, и кристалл расколется по ровной грани.

Ионы не такого же размера, как атомы, из которых они получились. Потеряв внешнюю оболочку, натрий сжимается до ионного радиуса около 102 пм, а лишний электрон раздувает хлорид-ион примерно до 181 пм. В модели заполнения пространства крупные зелёные хлорид-ионы занимают большую часть места, а маленькие фиолетовые ионы натрия сидят в промежутках между ними.

Когда соль растворяется в воде, решётка разбирается по одному иону. Молекулы воды толпятся вокруг каждого иона: слегка отрицательные концы с кислородом повёрнуты к ионам Na⁺, а слегка положительные концы с водородом к ионам Cl⁻. Окружённые так, ионы уплывают от кристалла и расходятся по воде. Растворённые ионы могут двигаться, поэтому солёная вода проводит электричество, и это одна из причин, почему электроприборы и морская вода опасно сочетаются. Почему у молекул воды есть заряженные концы, ты увидишь в уроке о полярности.