умения за развитие

  • Обяснете образуването на катиони, аниони и йонни съединения.
  • Предскажете заряда на често срещаните метални и неметални елементи и напишете техните електронни конфигурации

Както разбрахте, йони са атоми или молекули, които носят електрически заряд. Катион (положителен йон) се образува, когато неутрален атом загуби един или повече електрони от валентната си обвивка, а анион (отрицателен йон) се образува, когато неутрален атом спечели един или повече електрони от своята валентна обвивка.

Съединенията, направени от йони, се наричат ​​йонни съединения (или соли) и съставните им йони се задържат заедно чрез йонни връзки - електростатични сили на привличане между катиони и аниони с противоположен заряд. Свойствата на йонните съединения хвърлят малко светлина върху природата на йонните връзки. Йонните твърди вещества имат кристална структура и са склонни да бъдат твърди и чупливи; те също са склонни да имат високи точки на топене и кипене, което предполага, че йонните връзки са много силни. Йонните твърди тела също са лоши проводници на електричество по същата причина: силата на йонните връзки предотвратява свободното движение на йоните в твърдо състояние. Повечето йонни твърди вещества обаче се разтварят лесно във вода. Веднъж разтворени или разтопени, йонните съединения са отлични проводници на електричество и топлина, защото йоните могат да се движат свободно.

Неутралните атоми и свързаните с тях йони имат много различни физични и химични свойства. Натриевите атоми образуват натриев метал, мек, сребристо бял метал, който енергично гори във въздуха и реагира експлозивно с вода. Хлорните атоми образуват хлорен газ, Cl2, зелено-жълт газ, който е изключително корозивен за повечето метали и силно отровен за животните и растенията. Енергичната реакция между елементите натрий и хлор образува бялото, кристално съединение на натриев хлорид, обикновено наричано трапезна сол, което съдържа натриеви катиони и хлоридни аниони (Фигура \ (\ PageIndex \)). Съединението, получено от тези йони, показва напълно различни свойства от свойствата на елементите натрий и хлор. Хлорът е отровен, но натриевият хлорид е от съществено значение за живота; натриевите атоми реагират енергично с вода, но натриевият хлорид просто се разтваря във вода.

връзка
Фигура \ (\ PageIndex \):( а) Натрият е мек метал, който трябва да се съхранява в минерално масло, за да се избегне реакция с въздух или вода. (б) Хлорът е бледо зеленикаво-жълт газ. в) Когато се комбинират, те образуват бели кристали натриев хлорид (готварска сол). (кредит за: модификация на произведение от „Jurii“/Wikimedia Commons)

Образуването на йонни съединения

Бинарните йонни съединения се състоят само от два елемента: метал (който образува катиони) и неметал (който образува аниони). Например NaCl е двоично йонно съединение. Можем да мислим за образуването на такива съединения от гледна точка на периодичните свойства на елементите. Много метални елементи имат относително нисък йонизационен потенциал и лесно губят електрони. Тези елементи се намират вляво в период или близо до дъното на група в периодичната таблица. Неметалните атоми имат относително висок електронен афинитет и по този начин лесно получават електроните, загубени от металните атоми и по този начин запълват валентните си черупки. Неметални елементи се намират в горния десен ъгъл на периодичната таблица.

Тъй като всички вещества трябва да са електрически неутрални, общият брой положителни заряди върху катионите на йонно съединение трябва да е равен на общия брой отрицателни заряди върху неговите аниони. Формулата за йонно съединение представлява най-простото съотношение на броя йони, необходими за даване на еднакъв брой положителни и отрицателни заряди. Например формулата за алуминиев оксид, Al2O3, показва, че това йонно съединение съдържа два алуминиеви катиона, Al 3+ за всеки три оксидни аниона, O 2− [по този начин, (2 × +3) + (3 × –2) = 0] .

Важно е обаче да се отбележи, че формулата за йонно съединение не представлява физическото подреждане на неговите йони. Неправилно е да се говори за „молекула“ на натриев хлорид (NaCl), тъй като няма нито една йонна връзка като такава между която и да е двойка натриеви и хлоридни йони. Привлекателните сили между йоните са изотропни, еднакви във всички посоки, което означава, че всеки конкретен йон е еднакво привлечен от всички близки йони с противоположен заряд. Това води до подреждането на йони в плътно свързана триизмерна решетъчна структура. Натриевият хлорид например се състои от редовно подреждане на равен брой катиони Na ​​+ и Cl - аниони (Фигура \ (\ PageIndex \)).

Фигура \ (\ PageIndex \): Атомите в натриевия хлорид (обикновена готварска сол) са разположени така, че (а) да максимизират взаимодействащите противоположни заряди. По-малките сфери представляват натриеви йони, по-големите сфери представляват хлоридни йони. В разширения изглед (b) геометрията може да се види по-ясно. Обърнете внимание, че всеки йон е "свързан" с всички околни йони, шест в този случай.

Силното електростатично привличане между Na + и Cl– йони ги държи здраво заедно в твърдия NaCl. Необходими са 769 kJ енергия, за да се раздели един мол твърд NaCl в отделени газообразни йони като Na + и Cl -:

Електронните структури на катионите

Когато се образува катион, атом на елемент от основната група има тенденция да губи всичките си валентни електрони, като по този начин се приема, че това е електронната структура на благородния газ, който го предшества в периодичната таблица. За групи 1 (алкалните метали) и 2 (алкалоземните метали) номерата на групите са равни на броя на електроните във валентната обвивка и следователно на зарядите на катионите, образувани от атомите на тези елементи, когато всички електрони във валентните черупки се отстраняват. Например, калцият е елемент от група 2, чиито неутрални атоми имат 20 електрона и основна електронна конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. Когато атом Ca загуби двата си валентни електрона, резултатът е катион с 18 електрона, 2 + заряд и електронна конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6. Следователно йонът Ca 2+ е изоелектронен с благородния газ Ar.

За групи от 12 до 17, номерата на групите надвишават броя на валентните електрони с 10 (което обяснява възможността да има пълни d под-черупки в атомите на елементите в периоди четири и по-горе). Следователно, зарядът на катион, образуван от загубата на всички валентни електрони, е равен на числото на групата минус 10. Например алуминият (в група 13) образува 3 + йони (Al 3+).

Изключенията от очакваното поведение включват елементи към дъното на групите. В допълнение към очакваните йони Tl 3+, Sn 4+, Pb 4+ и Bi 5+, частичната загуба на електроните от валентната обвивка на тези атоми също може да доведе до образуването на Tl +, Sn йони 2+, Pb 2+ и Bi 3 +, Образуването на тези катиони 1 +, 2 + и 3 + се дължи на ефекта на инертната двойка, който отразява относително ниската енергия на двойката валентни електрони за атомите на тежките елементи на групи 13, 14 и 15. Меркурий (група 12) също проявява неочаквано поведение: образува двуатомен йон, \ (\ ce \) (йон, образуван от два атома живак, с Hg-Hg връзка), в допълнение към очакваният едноатомен йон Hg 2+, (образуван от един живачен атом).

Преходните елементи и вътрешните преходни метали се държат по различен начин от елементите на основните групи. Повечето катиони на преходни метали имат 2+ или 3+ заряда, които са резултат от загубата на техните най-външни електрон (и) първо, понякога последвани от загуба на един или два d електрона от най-външната обвивка. Например желязото (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2) образува йон Fe 2+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6) чрез загубата на 4s електроните и йона Fe 3+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5) от загубата на 4s електроните и един от 3d електроните. Въпреки че d орбиталите на преходните елементи са, съгласно принципа на Ауфбау, последните, които се запълват при създаването на електронни конфигурации, най-отдалечените електрони са първите, които се губят, когато тези атоми йонизират. Когато вътрешните преходни метали образуват йони, те обикновено имат 3 + заряд, в резултат на загубата на техните най-външни електрони и d или f електрон.

Пример \ (\ PageIndex \): ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ЕЛЕКТРОННИТЕ СТРУКТУРИ НА КАТИОНИТЕ

Има поне 14 елемента, категоризирани като „основни микроелементи“ за човешкото тяло. Те се наричат ​​„основни“, защото са необходими за здравословни телесни функции, „проследяващи“, защото се изискват само в малки количества и „елементи“, въпреки че всъщност са йони. Два от тези основни микроелементи, хром и цинк, са необходими като Cr 3+ и Zn 2+. Напишете електронните конфигурации на тези катиони.

Решение

Първо напишете електронната конфигурация за неутралните атоми:

След това премахнете електроните от орбиталата с по-висока енергия. За преходните метали електроните се отстраняват първо от s орбиталата, а след това от d орбиталата. За елементи в p блока електроните се отстраняват от p орбиталите и след това от s орбиталата. Цинкът е член на група 12, така че трябва да има заряд 2 + и следователно той губи само двата електрона в своята орбитала. Хромът е преходен елемент и трябва да загуби своите s електрони, а след това и своите d електрони, когато образува катион. По този начин намираме следните електронни конфигурации на йони:

  • Zn 2+: [Ar] 3d 10
  • Cr 3+: [Ar] 3d 3

Калият и магнезият са необходими в нашата диета. Напишете електронните конфигурации на очакваните йони на тези елементи.

K +: [Ar], Mg 2+: [Ne]

Електронни структури на аниони

Повечето едноатомни аниони се образуват, когато неутрален неметален атом придобие достатъчно електрони, за да запълни напълно външните си и p орбитали, като по този начин достига електронната конфигурация на следващия благороден газ. Следователно е лесно да се определи зарядът на такъв отрицателен йон: зарядът е равен на броя на електроните, които трябва да бъдат получени, за да запълнят s и p орбиталите на главния атом. Например, кислородът има електронна конфигурация 1s 2 2s 2 2p 4, докато кислородният анион има електронната конфигурация на благородния газ неон (Ne), 1s 2 2s 2 2p 6. Двата допълнителни електрона, необходими за запълване на валентните орбитали, дават на йонния йон заряда от 2 - (O 2–).

Пример \ (\ PageIndex \): ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ЕЛЕКТРОННАТА СТРУКТУРА НА АНИОНИТЕ

Селенът и йодът са два основни микроелемента, които образуват аниони. Напишете електронните конфигурации на анионите.

Решение

Напишете електронните конфигурации на фосфорен атом и неговия отрицателен йон. От анионния заряд.

Обобщение

Атомите могат да получат или загубят електрони, за да образуват йони с особено стабилни електронни конфигурации. Зарядите върху катионите, образувани от представителните метали, могат лесно да бъдат определени, тъй като, с малки изключения, електронните структури на тези йони имат конфигурация на благороден газ или напълно напълнена електронна обвивка. Зарядите върху анионите, образувани от неметали, също могат лесно да бъдат определени, тъй като тези йони се образуват, когато неметалните атоми придобият достатъчно електрони, за да запълнят валентните си черупки.