Wiązanie jonowe i kowalencyjne spolaryzowane w związkach chemicznych

Jony, kationy i aniony to podstawowe pojęcia związane z tworzeniem wiązań jonowych w związkach chemicznych. Większość pierwiastków nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz tworzy z innymi pierwiastkami związki chemiczne. Tylko nieliczne substancje proste występują w postaci pojedynczych atomów. Należą do nich gazy szlachetne, czyli pierwiastki chemiczne należące do 18. grupy układu okresowego.

Podczas tworzenia typowych wiązań chemicznych atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej, jaką ma najbliższy im w układzie okresowym helowiec. Atomy pierwiastków mogą uwspólniać elektrony lub oddawać je innym atomom pierwiastków. Mogą też przyjmować elektrony od innych atomów. W wyniku tych procesów powstają jony, które są nośnikami ładunku elektrycznego.

Schemat powstawania jonu z atomu

Schemat przedstawia proces powstawania jonu z atomu, który można zaobserwować w przypadku wielu pierwiastków chemicznych. Lewa strona schematu przedstawia atom, natomiast prawa strona przedstawia jon. Z atomu do jonu prowadzą dwie odrębne strzałki. Jedna z nich opisana została jako Oddanie elektronu, a druga jako Przyjęcie elektronu.

Jak powstaje jon sodu?

Jon sodu powstaje w wyniku przekazania elektronu z atomu sodu. W każdym atomie dodatni ładunek jądra jest równy ujemnemu ładunkowi chmury elektronowej, co oznacza, że atom jest elektrycznie obojętny. W przypadku jonu sodu liczby protonów i elektronów nie są identyczne, co oznacza, że 1 proton nie jest „zrównoważony” przez elektron. Cały jon ma ładunek protonu, o wartości równej elementarnemu ładunkowi dodatniemu. Dlatego jon sodu jest uważany za jon dodatni, a opisuje się go za pomocą znaku „+” przy symbolu pierwiastka chemicznego: Na+.

Zmiana konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu. Po lewej stronie widoczny jest rysunek przedstawiający jądro atomu sodu w postaci czerwonego koła podpisanego 11p oraz towarzyszącego mu biało-fioletowego wachlarza ilustrującego obecność trzech powłok elektronowych. Opisana jest też ich zawartość: 2 elektrony na pierwszej powłoce, 8 elektronów na drugiej powłoce i jeden elektron na trzeciej powłoce. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 11, liczba elektronów równa 11.

wiązanie jonowe i kowalencyjne spolaryzowane w związkach chemicznych

Opis zmiany konfiguracji elektronowej atomu sodu

Lewą stronę schematu z prawą łączy strzałka skierowana w prawo opisana jako Oddanie elektronu. Po prawej stronie ponownie widoczny jest rysunek przedstawiający strukturę atomu sodu, ale już z dwiema powłokami elektronowymi mającymi kolejno dwa i osiem elektronów. Rysunek podpisany jest następująco: liczba protonów równa 11, liczba elektronów równa 10. Jon Na+ opisuje się jako jon sodu, który powstaje w wyniku oddania przez atom sodu jednego elektronu z ostatniej powłoki elektronowej.

Mechanizm powstawania jonów sodu

Wzory elektronowe i symbol pierwiastka

Mechanizm powstawania dodatniego jonu sodu można zapisać przy użyciu wzoru elektronowego lub tylko symbolu pierwiastka chemicznego:

Na·→ oddanie elektronu Na+
Na→ Na++ 1e–

Konfiguracje elektronowe atomu i jego jonu

Proces powstawania jonów sodu możemy także przedstawić, posługując się konfiguracjami elektronowymi atomu i jego jonu:

Na [2, 8, 1] → oddanie elektronu Na+[2, 8]

Atom sodu ma 11 elektronów. Jeden z nich zajmuje ostatnią powłokę. Po jego oddaniu atom sodu ma 10 elektronów i konfigurację elektronową najbliższego mu w układzie okresowym gazu szlachetnego – neonu. Dzięki temu zyskuje oktet elektronowy – trwałą konfigurację.

Mechanizm powstawania jonu chloru

Przyjęcie elektronu przez atom chloru

W wyniku przyjęcia elektronu przez atom chloru powstaje jon. Z uwagi na obecność dodatkowego elektronu jon ten jest obdarzony ładunkiem ujemnym (o wartości równej elementarnemu ładunkowi ujemnemu). Opisuje się go za pomocą znaku „–” przy symbolu pierwiastka chemicznego: Cl–.

Cl → przyjęcie elektronu Cl–
Cl + 1e– → Cl–
Cl [2, 8, 7] → przyjęcie elektronu Cl– [2, 8, 8]

Zmiana konfiguracji elektronowej atomu chloru

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu.

Atom chloru ma 17 protonów i 17 elektronów, rozmieszczonych na trzech powłokach: dwóch, ośmiu i siedmiu. Po przyjęciu jednego elektronu, atom chloru ma 18 elektronów i konfigurację elektronową najbliższego mu w układzie okresowym gazu szlachetnego – argonu. Dzięki temu zyskuje oktet elektronowy – trwałą konfigurację.

Rodzaje jonów

Kationy i aniony

Jon o ładunku dodatnim nazywa się kationem, natomiast jon o ładunku ujemnym – anionem. Jon sodu, który powstał w wyniku oddania przez atom sodu elektronu, jest kationem. Natomiast atom chloru, który przyjął elektron, staje się anionem.

Atomy metali, szczególnie tych należących do 1. i 2. grupy układu okresowego, tworzą kationy. Atomy niektórych niemetali mogą w wyniku przyjęcia elektronów tworzyć aniony.

Proces przekształcania atomów w jony

Na schemacie przedstawionym na rysunku widać proces przekształcania atomów w jony. Centralną górną część zajmuje żółto-czerwone koło podpisane jako Atom. Odchodzą od niego dwie strzałki skierowane w stronę kół żółto-zielonego w lewym dolnym rogu podpisanego Anion oraz żółto-niebieskiego w prawym dolnym rogu podpisanego Kation.

Anion to jon ujemny, w którym liczba protonów jest mniejsza od liczby elektronów, a powstaje w wyniku przyjęcia elektronu przez atom. Natomiast kation to jon dodatni o liczbie protonów większej od liczby elektronów i powstaje w wyniku oddania elektronu przez atom.

Jakie wartości ładunków mogą mieć jony?

Atomy mogą oddawać i przyjmować więcej niż 1 elektron. W atomie magnezu (Z = 12) znajduje się 12 protonów i tyle samo elektronów. Podczas oddziaływań z innymi atomami atom Mg może „pozbyć się” 2 elektronów tworzących jego zewnętrzną powłokę elektronową. W wyniku tego procesu powstaje jon Mg2+ o ładunku dodatnim. Ogólnie jony mogą mieć różne wartości ładunków w zależności od liczby oddanych lub przyjętych elektronów.

Powstawanie jonów

Jon magnezu

Jon magnezu jest kationem, co oznacza, że ma nadmiar ładunków dodatnich w stosunku do ujemnych. Liczba elektronów w powstałym jonie zmniejsza się, co prowadzi do powstania dwudodatniego kationu o ładunku równym dwóm elementarnym ładunkom dodatnim. Proces powstawania jonu magnezu można przedstawić za pomocą równania:

Mg → Mg2+ + 2e-

Zmiany w konfiguracjach elektronowych atomu i kationu magnezu są następujące:

Mg [2, 8, 2] → Mg2+ [2, 8]

Zauważmy, że kation magnezu osiągnął uznawaną za trwałą konfigurację elektronową neonu (Z = 10).

Jon siarczkowy

Atom siarki tworzy dwuujemny jon, zwany jonem siarczkowym. Proces i zasada powstawania jonu siarczkowego z atomu siarki może być przedstawiony w następujący sposób.

Etap 1: Dane na temat siarki

Nagranie rozpoczyna się od prezentacji białej planszy z czarnym paskiem po lewej stronie, na którym prezentowane jest pole zawierające dane na temat siarki pochodzące z układu okresowego pierwiastków. Na białej części ekranu prezentowane są następujące dane na temat tego pierwiastka:

liczba elektronów: 16
liczba protonów: 16
rozpiska powłok elektronowych wraz z liczbą elektronów na każdej z nich

Etap 2: Przyłączenie elektronów

Przy symbolu powłoki walencyjnej M pojawia się prowadząca do niej strzałka z napisem +2 elektrony. Pojawia się schematyczny zapis procesu: atom siarki po przyłączeniu 2 elektronów tworzy na ostatniej powłoce oktet elektronowy.

Etap 3: Powstanie jonu siarczkowego

Atom siarki staje się jonem siarczkowym. Następnie na czarnym pasku pojawia się zestawienie liczby protonów i elektronów w atomie siarki, a także w jonie siarczkowym. Zgodnie z uzyskanym wnioskiem jon siarczkowy charakteryzuje się nadmiarem 2 elektronów, co prowadzi do wydedukowania jego symbolu: S2-.

Źródło

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl.

Pierwiastek siarki

Dane dotyczące pierwiastka

Na białej części ekranu prezentowane są następujące dane na temat pierwiastka siarki:

liczba elektronów i protonów równa 16
rozpiska powłok elektronowych wraz z liczbą elektronów na każdej z nich

Charakterystyka jonu siarczkowego

Następnie na czarnym pasku pojawia się zestawienie liczby protonów i elektronów w atomie siarki oraz w jonie siarczkowym. Zgodnie z uzyskanym wnioskiem jon siarczkowy charakteryzuje się nadmiarem 2 elektronów, co prowadzi do wydedukowania jego symbolu: S2-.

Jon glinu

Atom glinu tworzy jony glinu o wzorze Al3+. Liczba „3+” oznacza, że powstały jon jest kationem, który utworzył się po oddaniu przez atom glinu 3 elektronów. Powstawanie jonu glinu można opisać następującym równaniem:

Al → Al3+ + 3e–

Po uwzględnieniu konfiguracji elektronowej ma ono postać:

Al [2, 8, 3] → oddanie 3 elektronów Al3+[2, 8]

Konfiguracja elektronowa w kationie glinu jest taka sama jak w atomie neonu (Z = 10).

Porównanie cech budowy wybranych atomów i ich jonów

Symbol pierwiastka/wzór jonu

Pierwiastek	Symbol/Wzór jonu
Sód	Na/Na+
Magnez	Mg/Mg2+
Glin	Al/Al3+
Siarka	S/S2–
Chlor	Cl/Cl–

Liczba atomowa, protonów i elektronów oraz ładunek elektryczny

Pierwiastek	Liczba atomowa	Protony	Elektrony	Ładunek elektryczny
Sód	11	11	11	1+
Magnez	12	12	12	2+
Glin	13	13	13	3+
Siarka	16	16	16	2–
Chlor	17	17	17	1–

Nazwy pierwiastków i ich jonów

Pierwiastek	Nazwa	Jon	Nazwa jonu
Sód	Atom sodu	Na+	Kation sodu
Magnez	Atom magnezu	Mg2+	Kation magnezu

Zestawienie promieni atomów sodu, magnezu oraz kationu sodu i magnezu

W nagraniu dostępnym na portalu epodreczniki.pl, po lewej stronie ekranu na czarnym pasku umieszczono zestawienie promieni atomu sodu i jego kationu, który wynosi odpowiednio 160 pikometrów i 78 pikometrów. W obszarze głównym prezentowany jest analogiczny proces dla atomu magnezu, w którym dochodzi do oddania 2 elektronów, zmniejszenia średnicy kulki symbolizującej magnez oraz zmiany symbolu Mg na Mg2+.

Promienie atomów chloru, siarki oraz kationu siarki

Nagranie zaczyna się od planszy prezentującej model atomu chloru w postaci dużej białej kuli z napisem Cl. W kulę wnika niebieska strzałka podpisana przyjęcie jednego elektronu, w wyniku czego promień kuli wyraźnie się powiększa, a oznaczenie cząstki zmienia się na Cl+. Pojawiają się napisy: promień anionu równy jest 181 pikometrów, promień atomu równy jest 99 pikometrów.

Z kolei zestawienia promieni atomu chloru i jego anionu zostają umieszczone po lewej stronie ekranu na czarnym pasku, a w obszarze głównym prezentowany jest analogiczny proces dla atomu siarki. W tym przypadku dochodzi do przyjęcia 2 elektronów, zwiększenia się średnicy kulki symbolizującej siarkę oraz zmiany symbolu S na S2-. Promień kationu siarki wynosi 184 pikometry, natomiast promień atomu wynosi 4 pikometry.

Wiązanie jonowe (struktura jonowa)

Podstawowe pojęcia

Wiązanie jonowe jest jednym z rodzajów wiązań chemicznych, w którym atomy łączą się ze sobą poprzez oddanie lub przyjęcie elektronów w celu uzyskania konfiguracji elektronowej podobnej do gazów szlachetnych.

Przykład chlorku sodu

Przykładem związku chemicznego, który powstaje w wyniku oddawania i przyjmowania elektronów, jest chlorek sodu (NaCl), czyli sól kuchenna. Mechanizm powstawania jonów z atomów sodu i chloru można opisać następująco:

Schemat powstawania jonów z atomów sodu i chloru

Na ilustracji po lewej stronie prezentowane są elektrycznie obojętne atomy sodu i chloru z zaznaczoną za pomocą zapisu z kropkami liczbą elektronów walencyjnych. Znajdujący się pomiędzy nimi znak plus wskazuje na równanie reakcji chemicznej. Wygięta niebieska strzałka wiedzie od jedynego elektronu walencyjnego sodu do wolnego miejsca przy siódmym elektronie walencyjnym chloru. Następnie pojawia się długa pozioma strzałka skierowana w prawo, znak przeprowadzanej reakcji. Po prawej stronie równania znajduje się związek NaCl zapisany z uwzględnieniem ładunków jonów – przy Na znak plus, czy Cl znak minus – oraz informacji o atomach na powłoce walencyjnej.

Zestawienia promieni atomów

Zestawienia promieni atomów, takich jak chloru i jego anionu, oraz siarki, zostały umieszczone po lewej stronie ekranu na czarnym pasku. W obszarze głównym prezentowany jest analogiczny proces dla atomu siarki: przyjęcie 2 elektronów, zwiększenie się średnicy kulki symbolizującej siarkę, zmiana symbolu S na S2-.

Promienie kationu i atomu

Poza tym, pojawiają się dane liczbowe dotyczące promienia kationu równego 184 pikometry i promienia atomu równego 4 pikometry.

Zestawienie modeli atomów i anionów

Film kończy zestawienie modeli atomów i anionów obydwu omawianych pierwiastków oraz wyświetlenie wniosku końcowego, odczytanego również przez lektora.

Chlorek sodu: budowa i właściwości

Właściwości chlorku sodu

Chlorek sodu, zwany również solą kuchenną, to związek jonowy składający się z kationów sodu (Na+) i anionów chlorkowych (Cl-). W temperaturze pokojowej jest substancją stałą o białym kolorze i krystalicznej strukturze. Sól kamienista jest rozpuszczalna w wodzie i ma charakterystyczny smak.

Budowa chlorku sodu

Każdy z atomów pierwiastków w chlorku sodu osiąga konfigurację elektronową najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego: kation sodu – neonu, anion chlorkowy – argonu. Chlorek sodu jest zbudowany z kationów sodu i anionów chlorkowych, które jako jony o przeciwnych znakach przyciągają się siłami elektrostatycznymi. Tego rodzaju połączenia w związkach chemicznych nazywamy wiązaniami jonowymi.

Wiązania jonowe

Wiązanie jonowe to rodzaj wiązania chemicznego, które powstaje w wyniku przyciągania się jonów o przeciwnych znakach. O związkach chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe, mówimy, że są to związki jonowe. Jony o tym samym ładunku odpychają się, a więc nie mogą znajdować się obok siebie. Z tego powodu w związku jonowym kationy i aniony są ułożone naprzemiennie. Struktura, którą tworzą, jest nazywana kryształem jonowym. W krysztale związku jonowego każdy kation otoczony jest przez aniony, a każdy anion – przez kationy.

Porównanie właściwości chlorku sodu z właściwościami pierwiastków składowych

Chlorek sodu ma inne właściwości niż sód i chlor, pierwiastki chemiczne, z których został utworzony. Wynika to z faktu, że chlorek sodu jest związkiem jonowym, podczas gdy sód i chlor są pierwiastkami chemicznymi.

Temperatury wrzenia i topnienia przykładowych substancji jonowych i kowalencyjnych

Związki jonowe:

Chlorek sodu
Chlorek magnezu

Związki kowalencyjne:

Dwutlenek węgla
Woda
Metan (składnik gazu ziemnego)

Nazwa związku chemicznego	Temperatura topnienia [°C]	Temperatura wrzenia [°C]	Stan skupienia w temperaturze pokojowej
Chlorek sodu	802,0	1413,0	substancja stała
Chlorek magnezu	714,0	1367,0	substancja stała
Dwutlenek węgla	-56,6 (pod zwiększonym ciśnieniem)	-78,5 (następuje sublimacja)	gaz
Woda	0,0	100,0	ciecz
Metan (składnik gazu ziemnego)	-182,4	-161,5	gaz

Rozpuszczalność substancji w wodzie

Większość związków jonowych, w przeciwieństwie do kowalencyjnych, bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Rozpuszczalność zależy od temperatury i ciśnienia. Ilustracja poniżej przedstawia rozpuszczalność dwutlenku węgla w wodzie w temperaturze pokojowej.

Ilustracja

Zdjęcie przedstawia zlewkę wypełnioną wodą do kreski oznaczającej pojemność 0 mililitrów oraz strzykawkę z odciągniętym tłoczkiem. W prawym górnym rogu znajduje się zbliżenie na tłoczek i miarkę. Pozycja tłoczka wskazuje

Diament

Właściwości diamentu

Diament jest substancją o wysokich temperaturach wrzenia i topnienia oraz nie rozpuszcza się w wodzie. Jego właściwości nie są charakterystyczne dla substancji kowalencyjnych.

Struktura diamentu

Diament składa się z atomów węgla połączonych kowalencyjnymi wiązaniami w bardzo regularnej strukturze krystalicznej.

Obrazowanie diamentu

Zdjęcie przedstawia idealnie bezbarwny, nieoszlifowany diament w kształcie nieregularnego stożka na czarnym tle. Ilustracja zaś przedstawia strukturę atomów węgla w krysztale diamentu.

Wpływ soli na układ krwionośny

Lekarze zalecają unikanie spożywania zbyt dużej ilości soli ze względu na możliwość wystąpienia wysokiego ciśnienia tętniczego. Istnieje wiele jonów, które mogą wpływać na to zjawisko, ale który z nich odpowiada za niekorzystny wpływ soli na układ krwionośny człowieka?

Jony wchodzące w skład soli kuchennej

Sól kuchenna, znana również jako chlorek sodu (NaCl), składa się z dwóch jonów: kationu sodu (Na+) i anionu chlorkowego (Cl-). Obie te cząsteczki mają wpływ na nasz organizm, ale to kation sodu jest głównym winowajcą wysokiego ciśnienia tętniczego.

Zrezygnowanie ze spożywania soli

Czy można całkowicie zrezygnować ze spożywania soli bez szkody dla organizmu? Wiele produktów spożywczych, takich jak warzywa i owoce, zawiera naturalnie występującą sól, więc całkowita eliminacja soli z diety może być trudna. Jednak nadmiar spożywanej soli może być szkodliwy dla zdrowia, więc zaleca się ograniczenie jej spożycia do około 5-6g dziennie.

Zadania

Ćwiczenie 1

Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe:

Kation powstaje z atomu, który oddał proton. (Fałsz)
W anionie liczba elektronów jest większa od liczby protonów w jądrze atomowym. (Prawda)
Metale mają zdolność tworzenia kationów. (Prawda)
Jony utworzone przez różne pierwiastki chemiczne mogą mieć jednakową liczbę elektronów. (Fałsz)
Jon obdarzony ładunkiem dodatnim to kation. (Prawda)
Związki jonowe są zbudowane z cząsteczek. (Fałsz)
Jony utworzone przez atomy różnych pierwiastków chemicznych zawsze różnią się ładunkiem. (Prawda)

Ćwiczenie 2

Uzupełnij luki w tekście. Wybierz właściwe określenie spośród podanych:

Jony powstają z jonów tego samego znakujonów przeciwnego znakuprotonów w jądrze atomowym

Ćwiczenie 8: Porównanie kationu sodu i atomu neonu

Kation sodu Na⁺ i atom neonu Ne mają odmienne cechy, ale także kilka podobieństw.

Różnice:

liczba zapełnionych powłok elektronowych: Na⁺ ma jedną zapełnioną powłokę, natomiast w atomie Ne wszystkie powłoki są zapełnione
liczba protonów w jądrze: Na⁺ ma 11 protonów, a Ne ma 10 protonów
konfiguracja elektronowa: Na⁺ ma konfigurację 1s²2s²2p⁶, natomiast Ne ma konfigurację 1s²2s²2p⁶
ładunek jądra: Na⁺ ma ładunek jądra równy +11, a Ne ma ładunek jądra równy +10
liczba elektronów: Na⁺ ma 10 elektronów, a Ne ma 10 elektronów
ładunek cząstki: Na⁺ ma ładunek dodatni, a Ne jest atomem obojętnym