Глава V.34 Ионная химическая связь

В 1916 г. немецкий учёный Вальтер Коссель пришёл к выводу, что химическая устойчивость атомов благородных газов состоит в том, что их внешний электронный слой завершён, т. е. включает 8 электронов (у гелия – 2). Поэтому Коссель предположил, что атомы других элементов, стремясь получить восьмиэлектронный внешний слой, могут принимать недостающие электроны или отдавать внешние.

Рассмотрим, как это происходит на примере атомов натрия и хлора.

Атом натрия (натрий – элемент IА-группы) для получения завершённого внешнего энергетического уровня отдаст свой единственный электрон с внешнего уровня атому хлора. Атому хлора (хлор – элемент VIIА-группы) как раз не хватает одного электрона для завершения внешнего слоя. При этом атом натрия превратится в положительно заряженный ион с зарядом 1+, а атом хлора – в отрицательно заряженный ион с зарядом 1–. Напомним, что ионы – это положительно или отрицательно заряженные частицы, в которые превращаются атомы химических элементов в результате отдачи или присоединения электронов. Между разноимённо заряженными ионами возникнет электростатическое притяжение и образуется хлорид натрия (поваренная соль):

Процесс превращения атомов в ионы изображён на схеме 9.

Рассмотрим пример образования ионной связи в другом веществе – бромиде кальция CaBr₂. Так как кальций – элемент IIА-группы, атом кальция отдаст два электрона с внешнего уровня двум атомам брома, которым для завершения собственных внешних уровней не хватает по одному электрону (бром – элемент VIIА-группы).

Схема 9

При этом атом кальция превратится в положительный ион с зарядом 2+, а каждый атом брома – в отрицательный ион с зарядом 1–. Эти три иона образуют соединение, имеющее формулу CaBr₂.

Ионная связь возникает при взаимодействии атомов, имеющих ярко выраженные противоположные свойства: между элементами-металлами IА- и IIА-групп и элементами-неметаллами VIIА-группы, кислородом.

Состав ионных соединений, которые относятся к веществам немолекулярного строения, отражают с помощью формульных единиц – аналогов молекулярных формул.

Рассмотрим алгоритм написания формулы ионного соединения, образованного атомами кальция и фтора.

1. Мы только что пришли к выводу, что атом кальция отдаёт два своих внешних электрона:

$\underset{\mathrm{атом}}{\mathrm{Са}} - 2\overline{e} \to \underset{\mathrm{ион}}{{\mathrm{Ca}}^{2+}}$

2. Составим схему превращения, происходящего с атомом фтора. Фтор — это химический элемент VIIА-группы Периодической системы Д. И. Менделеева, неметалл. Его атому легче принять один электрон, которого ему не хватает до завершения внешнего энергетического уровня, чем отдать семь электронов:

$\begin{array}{c}\mathrm{F}\\ \mathrm{атом}\end{array}\begin{array}{c}+ \overline{e} \to \\ \end{array} \begin{array}{c}{\mathrm{F}}^{-}\\ \mathrm{ион}\end{array}$

3. Наименьшее общее кратное между зарядами образовавшихся ионов равно 2. Разделим его на заряды образовавшихся ионов и получим значения индексов для каждого элемента: 1 для кальция и 2 для фтора.
4. Запишем схему образования ионной связи между атомами кальция и фтора:

Все соединения, образованные ионной связью, при обычных условиях — твёрдые кристаллические вещества. Они характеризуются правильным расположением составляющих их частиц (в данном случае — ионов) в строго определённых точках пространства – узлах. Если соединить эти точки линиями, то возникнет пространственный каркас, называемый кристаллической решёткой.

Так как в узлах веществ с ионной связью располагаются ионы, такой тип решёток так и называется — ионные кристаллические решётки. Вещества с этим типом кристаллической решётки являются не только твёрдыми, но также прочными, тугоплавкими и нелетучими.