ЭЛЕКТРОННАЯ ПРИЧИНА ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И ТЕОРИЯ КОССЕЛЯ
В окружающем нас мире подавляющее большинство химических элементов не существует в виде изолированных одиночных атомов. Атомы неизменно объединяются друг с другом, образуя простые или сложные вещества. Фундаментальная причина этого процесса кроется в энергетической выгоде и стремлении к стабильности.
Единственными элементами, атомы которых абсолютно комфортно чувствуют себя в одиночном состоянии, являются благородные (инертные) газы VIII группы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон). Их уникальная химическая пассивность объясняется совершенным строением внешнего электронного слоя:
- У атома гелия единственный электронный уровень полностью завершен и содержит устойчивый дублет из 2 электронов ($1s^2$).
- У всех остальных благородных газов внешний уровень завершен и содержит прочный восьмиэлектронный слой — завершенный октет из 8 электронов ($ns^2np^6$).
Внешняя восьмиэлектронная оболочка обладает минимальным запасом потенциальной энергии и наивысшей термодинамической устойчивостью.
В 1916 году выдающийся немецкий физик Вальтер Коссель выдвинул электронную теорию химической связи: атомы всех остальных элементов стремятся достичь устойчивой электронной конфигурации ближайшего благородного газа (правило октета). Для достижения этой заветной цели у атомов есть два противоположных пути: отдать свои лишние внешние электроны либо принять недостающие электроны со стороны.
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ИОНОВ И ИОННОЙ СВЯЗИ
Когда в химическую реакцию вступают элементы с диаметрально противоположными свойствами, происходит полный переход электронов от одних атомов к другим.
1. Образование катионов (положительных ионов):
Атомы типичных металлов (элементы главных подгрупп IA, IIA, IIIA) имеют на внешнем уровне мало электронов (1, 2 или 3) и обладают сравнительно большими радиусами атомов. Их внешние электроны слабо связаны с положительным ядром. Металлам энергетически намного легче отдать эти немногие электроны, чем пытаться присоединить недостающие 5–7 электронов.
Теряя отрицательно заряженные электроны, электронейтральный атом превращается в положительно заряженный ион — катион. При этом обнажается предвнешний электронный слой, который уже содержит устойчивый завершенный октет:
- Атом натрия (IA-группа, 11 протонов, 11 электронов: $2\bar{e}, 8\bar{e}, 1\bar{e}$) отдает 1 внешний электрон и превращается в катион натрия с зарядом +1, приобретающий электронную оболочку инертного газа неона Ne ($2\bar{e}, 8\bar{e}$):
- Атом кальция (IIA-группа, 20 протонов, 20 электронов: $2\bar{e}, 8\bar{e}, 8\bar{e}, 2\bar{e}$) отдает 2 электрона и превращается в катион кальция с зарядом +2 с электронной оболочкой аргона Ar ($2\bar{e}, 8\bar{e}, 8\bar{e}$):
2. Образование анионов (отрицательных ионов):
Атомы типичных неметаллов (галогены VIIA-группы, халькогены VIA-группы) имеют на внешнем уровне много электронов (6 или 7) и малый атомный радиус. Ядро крепко удерживает свои электроны и мощно притягивает электроны других атомов. До заветного октета им не хватает всего 1–2 электронов ($8 - n$).
Принимая дополнительные электроны, электронейтральный атом неметалла приобретает избыточный отрицательный электрический заряд и превращается в отрицательный ион — анион:
- Атом хлора (VIIA-группа, 17 протонов, 17 электронов: $2\bar{e}, 8\bar{e}, 7\bar{e}$) жадно принимает 1 электрон от натрия и превращается в анион хлора с зарядом -1 с завершенным октетом аргона Ar ($2\bar{e}, 8\bar{e}, 8\bar{e}$):
- Атом кислорода (VIA-группа, 8 протонов, 8 электронов: $2\bar{e}, 6\bar{e}$) принимает 2 электрона и превращается в оксид-анион с зарядом -2 с устойчивым октетом неона Ne ($2\bar{e}, 8\bar{e}$):
3. Возникновение ионной связи:
Превратившись в катионы и анионы, частицы приобретают противоположные электрические заряды. По фундаментальному закону Кулона противоположные заряды взаимно притягиваются.
Ионной связью называют химическую связь, образующуюся за счет сил электростатического притяжения между противоположно заряженными ионами.
Ионная связь образуется только между атомами, обладающими резко противоположными свойствами: между типичными металлами (IA и IIA подгруппы) и типичными неметаллами (VIIA подгруппа, а также кислород). Между ними существует гигантская разница в электроотрицательности, благодаря которой один атом полностью отрывает электроны у другого.
АЛГОРИТМ СОСТАВЛЕНИЯ ФОРМУЛ ИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Вещества с ионной связью относятся к соединениям немолекулярного строения. В них нет обособленных молекул, а химическая формула отражает формульную единицу — простейшее целочисленное соотношение катионов и анионов в кристаллическом каркасе.
Для составления формулы ионного бинарного соединения используется универсальный алгоритм:
Шаг 1. Запись символов элементов:
На первое место всегда помещают химический знак металла (образует катион), на второе — неметалла (образует анион).
Пример: составляем формулу фторида кальция: $\text{Ca} \dots \text{F}$.
Шаг 2. Определение зарядов ионов:
Определяют число отдаваемых и принимаемых электронов на основании номеров групп:
- Кальций находится во IIA группе, на внешнем уровне 2 электрона $\rightarrow$ атом Ca отдает 2 электрона:
- Фтор находится в VIIA группе, на внешнем уровне 7 электронов $\rightarrow$ атому F до октета не хватает $8 - 7 = 1$ электрона, он принимает 1 электрон:
Шаг 3. Нахождение наименьшего общего кратного (НОК):
Находят наименьшее общее кратное абсолютных величин зарядов образовавшихся ионов.
Для зарядов 2 и 1: $\text{НОК}(2, 1) = 2$.
Шаг 4. Расчет нижних индексов:
Делят значение НОК на величину заряда каждого соответствующего иона:
- Для кальция: $2 / 2 = 1$ (индекс 1 традиционно в химических формулах не пишется).
- Для фтора: $2 / 1 = 2$.
Шаг 5. Запись итоговой формулы:
Объединяют знаки с вычисленными индексами: CaF₂ (фторид кальция).
Общая схема образования ионной связи для фторида кальция выглядит следующим образом:
Аналогично для бромида кальция: атом кальция отдает 2 электрона двум атомам брома (по одному электрону каждому), образуя катион $\text{Ca}^{2+}$ и два бромид-иона $\text{Br}^-$:
ИОННАЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
Поскольку электрическое поле заряженного иона сферически симметрично, ионная связь не имеет пространственной направленности. Каждый ион притягивает к себе противоположно заряженные ионы во всех направлениях пространства.
В результате этого при обычных условиях все без исключения соединения с ионной связью представляют собой твердые кристаллические вещества с ионной кристаллической решеткой.
В узлах такой решетки строго чередуются положительные катионы и отрицательные анионы. Например, в кристалле поваренной соли NaCl каждый катион натрия $\text{Na}^+$ симметрично окружен шестью анионами хлора $\text{Cl}^-$, а каждый анион хлора — шестью катионами натрия (координационное число равно 6). Весь кристалл представляет собой гигантский непрерывный трехмерный ансамбль ионов.
Строение ионной кристаллической решетки предопределяет комплекс уникальных физических свойств ионных веществ:
- Высокая механическая прочность и тугоплавкость:
Силы электростатического притяжения между разноименными зарядами в решетке колоссальны. Чтобы расплавить или испарить такое вещество, необходимо разрушить прочнейший кристаллический каркас, что требует огромных затрат тепловой энергии. Поэтому ионные вещества плавятся при экстремально высоких температурах (поваренная соль NaCl плавится при 801 °C, а оксид кальция CaO — при 2572 °C). Все ионные соединения нелетучи и лишены запаха.
- Хрупкость:
При сильном механическом ударе или деформации кристалла происходит смещение параллельных слоев решетки относительно друг друга. При малейшем сдвиге положительно заряженные ионы оказываются вплотную против положительных, а отрицательные — против отрицательных. Возникает мгновенное и мощное кулоновское отталкивание одноименных зарядов, из-за чего кристалл раскалывается по плоскостям скола.
- Электропроводность расплавов и водных растворов (электролиты):
В твердом сухом кристалле ионы намертво закреплены в узлах решетки и могут совершать лишь тепловые колебания около положения равновесия. Свободных носителей заряда нет, поэтому твердые ионные соли являются диэлектриками (не проводят ток). Однако при нагревании до плавления или при растворении в воде прочные связи кристаллической решетки разрушаются. Ионы освобождаются и обретают высокую подвижность. При подключении источника тока катионы направленно движутся к отрицательному катоду, а анионы — к положительному аноду. Растворы и расплавы ионных веществ великолепно проводят электрический ток, то есть являются электролитами.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Причина образования связи: стремление атомов к устойчивой 8-электронной оболочке благородного газа (октет, у He — дублет) с минимальной энергией (правило Косселя, 1916 г.).
- Что такое ионы: электрически заряженные частицы, образующиеся в результате отдачи или присоединения электронов.
- Катион ($+$): атом металла отдает электроны ($\text{Na}^0 - 1\bar{e} \rightarrow \text{Na}^+$; $\text{Ca}^0 - 2\bar{e} \rightarrow \text{Ca}^{2+}$).
- Анион ($-$): атом неметалла принимает электроны ($\text{Cl}^0 + 1\bar{e} \rightarrow \text{Cl}^-$; $\text{O}^0 + 2\bar{e} \rightarrow \text{O}^{2-}$).
- Определение ионной связи: химическая связь, образующаяся за счет электростатического притяжения противоположно заряженных ионов (катионов и анионов).
- Где возникает: между типичными металлами (IA, IIA) и типичными неметаллами (VIIA, кислород) с огромной разницей электроотрицательностей.
- Алгоритм составления формулы:
- Металл слева, неметалл справа ($\text{Ca}\dots\text{F}$).
- Заряды ионов: металл $+n$, неметалл $-(8 - N_{группы})$ ($\text{Ca}^{2+}, \text{F}^-$).
- Находим НОК абсолютных зарядов: $\text{НОК}(2, 1) = 2$.
- Индексы = $\text{НОК} / \text{заряд}$: для $\text{Ca} = 2/2 = 1$; для $\text{F} = 2/1 = 2$.
- Формула: CaF₂. Это формульная единица (молекул нет!).
- Ионная решетка и свойства:
- В узлах решетки — чередующиеся ионы (в NaCl каждый $\text{Na}^+$ окружен шестью $\text{Cl}^-$).
- Твердые, тугоплавкие, нелетучие (прочное кулоновское притяжение, $T_{пл} \text{ NaCl} = 801\ ^\circ\text{C}$).
- Хрупкие (при ударе одноименные ионы сближаются и отталкиваются).
- Твердые не проводят ток, а расплавы и растворы проводят (разрушение решетки освобождает подвижные ионы).