Чисто ионной связью называется химически связанное состояние атомов, при котором устойчивое электронное окружение достигается путем полного перехода общей электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента.

Чисто ионная связь есть предельный случай ковалентной связи.

На практике полный переход от одного атома к другому атому-партнеру по связи не реализуется, поскольку каждый элемент имеет большую или меньшую (но не нулевую) электроотрицательность, и любая химическая связь будет в некоторой степени ковалентной.

Если степень ковалентности связи достаточно высока, то такая химическая связь является полярной ковалентной связью с той или иной степенью ионности (H^+0,17-Cl^-0,17 – ковалентная связь со степенью ионности 17%, т.е. со степенью ковалентности 83%). Если же степень ковалентности связи мала по сравнению со степенью ее ионности, то такая связь считается ионной.

Ионная связь возможна только между атомами электроположительных и электроотрицательных элементов, которые находятся в состоянии разноименно заряженных ионов.

Процесс образования ионной связи позволяет объяснить электростатическая модель, т.е. рассмотрение химического взаимодействия между отрицательно и положительно заряженными ионами.

Ионы – это электрически заряженные частицы, образующиеся из нейтральных атомов или молекул путем отдачи или приема электронов.

При отдаче или приеме электронов молекулами образуются молекулярные, или многоатомные ионы, например, O₂⁺ – катион диоксигенила, NO₂^– – нитрит-ион.

Одноатомные положительные ионы, или одноатомные катионы, и одноатомные отрицательные ионы, или одноатомные анионы, возникают при химической реакции между нейтральными атомами путем взаимопередачи электронов. При этом атом электроположительного элемента, обладающий небольшим числом внешних электронов (одним – двумя, реже тремя – четырьмя), переходит в более устойчивое состояние одноатомного катиона путем уменьшения числа этих электронов (отдача электронов). Наоборот, атом электроотрицательного элемента, имеющий большое число внешних электронов (от трех до семи), переходит в более устойчивое для него состояние одноатомного иона путем увеличения числа электронов (прием чужих электронов). Одноатомные катионы образуются, как правило, металлами, а одноатомные анионы – неметаллами.

При передаче электронов атомы металлического и неметаллического элементов стремятся сформировать вокруг своих ядер устойчивую конфигурацию электронной оболочки. Атом неметаллического элемента создает вокруг своего остова внешнюю оболочку последующего благородного газа (электронный октет), тогда как атом металлического элемента после отдачи внешних электронов получает устойчивую октетную конфигурацию предыдущего благородного газа.

Например, атом натрия Na (IA-группа, электронная конфигурация 1s²2s²2p⁶3s¹) имеет один внешний электрон (электрон третьего энергетического уровня), а атом хлора Cl (VII-группа, электронная конфигурация 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵) – семь внешних электронов. При переходе от атома натрия Na внешнего 3s-электрона к атому хлора Cl электронная оболочка атома хлора становится внешней электронной оболочкой атома аргона (3s²3p⁶), а электронная оболочка натрия – внешней оболочкой атома неона (2s²2p⁶), т.к. на третьем энергетическом уровне натрия не остается ни одного электрона. При этом атом натрия теряет один отрицательный заряд и становится катионом Na⁺, а атом хлора приобретает этот заряд и становится анионом Cl^–.

Оценка зарядов на атомах натрия и хлора в состоянии ионов следует из сравнения числа протонов в их ядрах и общего числа электронов на их оболочках. Так, атом натрия содержит 11 положительно заряженных протонов в ядре атома и 11 отрицательно заряженных электронов в оболочке атома, после отдачи одного электрона, атом натрия приобретает заряд +1, т.к. содержит 11 положительно заряженных протонов в ядре, и 10 отрицательно заряженных электронов в оболочке. Атом хлора содержит 17 положительно заряженных протонов в ядре и 17 отрицательно заряженных электронов в оболочке атома, после приема одного электрона, атом хлора приобретает отрицательный заряд, т.к. содержит 17 положительно заряженных протонов и 18 отрицательно заряженных электронов в оболочке атома хлора.

В рамках орбитальной модели атома образование ионов Na⁺ и Cl^– объясняется следующим образом

Переход 3s-электрона атома натрия на 3p-подуровень хлора показан пунктирной стрелкой справа. Третий энергетический уровень имеет еще пять 3d-атомных орбиталей, но т.к. 3d-подуровень начинает заполняться только у атомов элементов четвертого периода, он не показан на схеме; ион Cl- находится в промежуточном устойчивом состоянии благородного газа (ns²np⁶).

По методу молекулярных орбиталей образование ионной связи для NaCl с долей ковалентности, равной по приближенной оценке Полинга 33% и по экспериментальным данным ≈20%, можно описать, полагая, что атом Na и атом Cl комбинируют свои 3s- и 3p-атомные орбитали, содержащие по одному электрону. Возникает связывающая молекулярная орбиталь, содержащая два электрона. Вследствие более высокой электроотрицательности хлора эта связывающая молекулярная орбиталь расположена на энергетической диаграмме ближе к его атому, чем к атому натрия. Таким образом, электронная плотность на атоме хлора выше на 0,8e^– по сравнению с атомом натрия, т.е. ионная связь в NaCl – это ковалентная связь Na^0,8+-Cl^0,8-, а при чисто ионной связи было бы Na¹⁺-Cl^1-.

Для простоты вместо эффективных зарядов обычно указывают целочисленные заряды ионов (Na⁺) (Cl^–), имея в виду, что именно такие ионы образуются при электролитической диссоциации ионного соединения NaCl в водном растворе или в расплаве: NaCl = Na⁺ + Cl^–.

Для того, чтобы решить, является ли данная связь преимущественно ковалентной или преимущественно ионной (и соответствующим способом интерпретировать свойства соединений), можно прибегнуть к оценке по методу Полинга. Химическая связь с 50% ионностью отвечает разности Δχ = 1,7; при Δχ > 1,7 связь будет преимущественно ионная.

Например для NaCl (Δχ = 2,1), CsCl (Δχ = 2,3), BaCl₂ (Δχ = 2,1), MgCl₂ (Δχ = 1,8), AlCl₃ (Δχ = 1,5), SnCl₂ (Δχ = 1,2), BiCl₃ (Δχ = 1,1). Очевидно, что CsCl, NaCl, BaCl₂, MgCl₂ – ионные соединения, остальные хлориды AlCl₃, SnCl₂, BiCl₃ – ковалентные, а вот фториды последних будут уже ионными соединениями.

Заряд ионов обозначается цифрой и знаком в верхнем индексе после формулы частицы, например:

Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺, Cl^–, S^2-, NO₃^–, SO₄^2-, PO₄^3-

В старой литературе можно встретить обозначение заряда ионов соответствующим количеством знаков заряда, например:

Ca⁺⁺, Al⁺⁺⁺, S^—, SO₄^—, PO₄^—

Для ионов в водном растворе, где они гидратированы, были приняты обозначения точками и косыми рисками в верхнем индексе:

Na^•, Ca^••, Al^••• (катионы) и Cl^/, S^//, PO₄^/// (анионы)

В современной литературе подобные обозначения не применяются.

Чтобы изобразить образование ионов в химической реакции между нейтральными атомами, уравнение химической реакции записывают с помощью обозначения валентных электронов:

При этом следует использовать правило равенства чисел электронов, переданных в реакции:

Число отданных электронов должно быть равно числу принятых электронов.

В соответствии с этим правилом подбираются стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции:

Ионные кристаллы

При взаимодействии металлических и неметаллических простых веществ, сопровождающемся отдачей и приемом электронов, образуются соли.

Ионная связь характерна не только для солей производных безкислородных и кислородсодержащих кислот (NaCl, AlF₃, NaNO₃, Al₂(SO₄)₃), но и для других классов неорганических веществ – основных оксидов и гидроксидов (Na₂O, NaOH), бинарных соединений (Li₃N, CaC₂).

Между ионами с противоположными по знаку зарядами проявляются электростатические силы притяжения (кулоновские силы притяжения). Такие силы притяжения изотропны, т.е. действуют одинаково во всех направлениях. В результате расположение ионов в твердых солях упорядочивается в пространстве определенным образом.

Кристаллическая решетка ионная – это система упорядоченно расположенных катионов и анионов.

Вещества обладающие ионной кристаллической решеткой (соли, основные оксиды, гидроксиды) называют ионными кристаллами.

Все ионные кристаллы имеют солеобразный характер.

Солеобразный характер – это определенный набор свойств, отличающий ионные кристаллы от кристаллических веществ с другими типами решеток. Отличительным признаком ионной кристаллической решетки является чередование катионов и анионов в пространстве ионного кристалла.

Вследствие того, что кулоновские силы притяжения распространяются одинаково по всем направлениям, ионы в узлах кристаллической решетки связаны относительно прочно, хотя каждый из ионов не зафиксирован неподвижно, а непрерывно совершает тепловые колебания вокруг своего положения в решетке. Поступательное же движение ионов вдоль решетки отсутствует, поэтому все вещества с ионными связями при комнатной температуре – твердые (кристаллические). Амплитуда тепловых колебаний может быть увеличена нагреванием ионного кристалла, которое приводит в итоге к разрушению решетки и переходу твердого вещества в жидкое состояние (при температуре плавления). Температура плавления (т. пл.) ионных кристаллов относительно высока, а температура кипения (т. кип.), при которой осуществляется переход жидкого вещества в самое неупорядоченное, газообразное состояние, имеет очень большие значения.

Например, NaCl т. пл. 801*С, т. кип. 1465*С; NaOH т. пл. 321*С, т. кип. 1390*С; BaF₂ т. пл. 1368*С, т. кип. 2260*С.

Многие соли, особенно многоэлементные, комплексные, а также соли органических кислот могут разлагаться при температурах (т. разл.) более низких, чем т. кип. и даже т. пл.

Типичным свойством многих соединений с ионной связью (которые не взаимодействуют с водой и не разлагаются до плавления) является их способность к диссоциации на составляющие ионы; вследствие подвижности ионов водные растворы и(или) расплавы ионных кристаллов проводят электрический ток.

Все содержащиеся в ионном кристалле катионы и анионы связаны друг с другом.

В ионных кристаллах, построенных из катионов и анионов, молекулы отсутствуют.

Химические формулы ионных веществ передают только соотношение катионов и анионов в кристаллической решетке; в целом образец ионного вещества электронейтрален. Например, в соответствии с формулой ионного кристалла Al₂O₃ соотношение катионов Al³⁺ и анионов O^2- в решетке равно 2 : 3; вещество электронейтрально – шесть положительных зарядов (2Al³⁺) нейтрализуются шестью отрицательными зарядами (3O^2-).

Хотя реальных молекул в ионных кристаллах не существует, для единообразия с ковалентными веществами принято с помощью химических формул типа NaCl, Al₂O₃ передавать состав условных молекул, следовательно характеризовать ионные вещества определенными значениями относительной молекулярной массы. Это тем более оправдано, поскольку переход от ковалентной связи к ионной происходит постепенно и имеет лишь условную (по Полингу) границу с Δχ = 1,7.

---