abilități de dezvoltat

  • Explicați formarea cationilor, anionilor și compușilor ionici.
  • Preziceți încărcarea elementelor metalice și nemetalice obișnuite și scrieți configurațiile lor de electroni

După cum ați învățat, ionii sunt atomi sau molecule care transportă o sarcină electrică. Un cation (un ion pozitiv) se formează atunci când un atom neutru pierde unul sau mai mulți electroni din învelișul său de valență, iar un anion (un ion negativ) se formează atunci când un atom neutru câștigă unul sau mai mulți electroni din învelișul său de valență.

Compușii formați din ioni sunt numiți compuși ionici (sau săruri), iar ionii lor constituenți sunt ținuți împreună prin legături ionice - forțe electrostatice de atracție între cationi și anioni cu sarcină opusă. Proprietățile compușilor ionici aruncă o oarecare lumină asupra naturii legăturilor ionice. Solidele ionice prezintă o structură cristalină și tind să fie rigide și fragile; de asemenea, tind să aibă puncte de topire și fierbere ridicate, sugerând că legăturile ionice sunt foarte puternice. Solidele ionice sunt, de asemenea, conductori slabi ai electricității din același motiv: puterea legăturilor ionice împiedică ionii să se miște liber în stare solidă. Majoritatea solidelor ionice, totuși, se dizolvă ușor în apă. Odată dizolvate sau topite, compușii ionici sunt conductori excelenți ai electricității și căldurii, deoarece ionii se pot mișca liber.

Atomii neutri și ionii lor asociați au proprietăți fizice și chimice foarte diferite. Atomii de sodiu formează sodiu metalic, un metal moale, alb-argintiu, care arde energic în aer și reacționează exploziv cu apa. Atomii de clor formează gazul de clor, Cl2, un gaz galben-verzui extrem de coroziv pentru majoritatea metalelor și foarte otrăvitor pentru animale și plante. Reacția viguroasă dintre elementele sodiu și clor formează compusul alb, cristalin al clorurii de sodiu, denumită în mod obișnuit sare de masă, care conține cationi de sodiu și anioni clorură (Figura \ (\ PageIndex \)). Compusul realizat de acești ioni prezintă proprietăți complet diferite de proprietățile elementelor de sodiu și clor. Clorul este otrăvitor, dar clorura de sodiu este esențială pentru viață; atomii de sodiu reacționează energic cu apa, dar clorura de sodiu tocmai se dizolvă în apă.

ionică
Figura \ (\ PageIndex \):( a) Sodiul este un metal moale care trebuie depozitat în ulei mineral pentru a evita reacția cu aerul sau apa. (b) Clorul este un gaz galben-verzui pal. (c) Atunci când sunt combinate, formează cristale albe de clorură de sodiu (sare de masă). (credit către: modificare a lucrării din „Jurii”/Wikimedia Commons)

Formarea compușilor ionici

Compușii ionici binari sunt compuși din doar două elemente: un metal (care formează cationi) și un nemetal (care formează anioni). De exemplu, NaCI este un compus ionic binar. Ne putem gândi la formarea unor astfel de compuși în termeni de proprietăți periodice ale elementelor. Multe elemente metalice au potențiale de ionizare relativ reduse și pierd cu ușurință electroni. Aceste elemente se găsesc în stânga într-o perioadă sau în partea de jos a unui grup de pe tabelul periodic. Atomii nemetalici au afinități electronice relativ mari și astfel câștigă cu ușurință electronii pierduți de atomii metalici și astfel își umple cochilii de valență. Elementele nemetalice se găsesc în colțul din dreapta sus al tabelului periodic.

Deoarece toate substanțele trebuie să fie neutre din punct de vedere electric, numărul total de sarcini pozitive pe cationii unui compus ionic trebuie să fie egal cu numărul total de sarcini negative de pe anionii săi. Formula pentru un compus ionic reprezintă cel mai simplu raport dintre numărul de ioni necesar pentru a da un număr identic de sarcini pozitive și negative. De exemplu, formula pentru oxidul de aluminiu, Al2O3, indică faptul că acest compus ionic conține doi cationi de aluminiu, Al 3+ pentru fiecare trei anioni oxid, O 2− [astfel, (2 × +3) + (3 × –2) = 0] .

Cu toate acestea, este important să rețineți că formula pentru un compus ionic nu reprezintă aranjamentul fizic al ionilor săi. Este incorect să ne referim la o „moleculă” de clorură de sodiu (NaCl) deoarece nu există o singură legătură ionică în sine între orice pereche specifică de ioni de sodiu și clorură. Forțele de atracție dintre ioni sunt izotrope, aceleași în toate direcțiile, ceea ce înseamnă că orice ion particular este atras în mod egal de toți ionii din apropiere cu sarcină opusă. Acest lucru are ca rezultat aranjarea ionilor într-o structură de rețea tridimensională strâns legată. Clorura de sodiu, de exemplu, constă dintr-un aranjament regulat al unui număr egal de cationi Na + și anioni Cl (Figura \ (\ PageIndex \)).

Figura \ (\ PageIndex \): atomii din clorura de sodiu (sare de masă obișnuită) sunt aranjați pentru a (a) maximiza sarcinile opuse care interacționează. Sferele mai mici reprezintă ioni de sodiu, sferele mai mari reprezintă ioni de clorură. În vizualizarea extinsă (b), geometria poate fi văzută mai clar. Rețineți că fiecare ion este „legat” de toți ionii din jur, șase în acest caz.

Atracția electrostatică puternică dintre ionii Na + și Cl– îi menține ferm uniți în NaCl solid. Necesită 769 kJ de energie pentru a disocia un mol de NaCI solid în ioni gazoși separați, cum ar fi Na + și Cl -:

Structurile electronice ale cationilor

Când se formează un cation, un atom al unui element al grupului principal tinde să-și piardă toți electronii de valență, presupunând astfel că este structura electronică a gazului nobil care o precede în tabelul periodic. Pentru grupurile 1 (metalele alcaline) și 2 (metalele alcalino-pământoase), numerele grupelor sunt egale cu numerele electronilor din carcasa de valență și, în consecință, cu sarcinile cationilor formați de atomii acestor elemente toți electronii din cochiliile de valență sunt îndepărtați. De exemplu, calciul este un element din grupa 2 ai cărui atomi neutri au 20 de electroni și o configurație electronică de bază de 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2. Când un atom de Ca își pierde cei doi electroni de valență, rezultatul este un cation cu 18 electroni, o sarcină 2 + și o configurație electronică de 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6. Ionul Ca 2+ este deci izoelectronic cu gazul nobil Ar.

Pentru grupurile 12-17, numerele grupurilor depășesc numărul de electroni de valență cu 10 (ceea ce explică posibilitatea existenței d sub-cochilii complete în atomii elementelor în perioadele patru și mai mari). Prin urmare, sarcina unui cation format din pierderea tuturor electronilor de valență este egală cu numărul grupului minus 10. De exemplu, aluminiul (în grupul 13) formează ioni 3 + (Al 3+).

Excepțiile de la comportamentul așteptat implică elemente către partea de jos a grupurilor. În plus față de ionii așteptați Tl 3+, Sn 4+, Pb 4+ și Bi 5+, o pierdere parțială a electronilor din învelișul de valență al acestor atomi poate duce și la formarea Tl +, a ionilor Sn 2+, Pb 2+ și Bi 3 +, Formarea acestor cationi 1 +, 2 + și 3 + este atribuită efectului de pereche inertă, care reflectă energia relativ redusă a perechii de electroni de valență pentru atomii elementelor grele ale grupurile 13, 14 și 15. Mercurul (grupul 12) prezintă, de asemenea, un comportament neașteptat: formează un ion diatomic, \ (\ ce \) (un ion format din doi atomi de mercur, cu o legătură Hg-Hg), pe lângă ionul monatomic așteptat Hg 2+, (format dintr-un singur atom de mercur).

Elementele de tranziție și metalele de tranziție interne se comportă diferit de elementele grupului principal. Majoritatea cationilor de metale de tranziție au 2+ sau 3+ încărcări care rezultă din pierderea electronilor lor externi mai întâi, uneori urmată de pierderea unuia sau a doi electroni d din învelișul exterior. De exemplu, fierul (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2) formează ionul Fe 2+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6) prin pierderea electronilor 4s și a ionului Fe 3+ (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5) prin pierderea electronilor 4s și a unuia dintre electronii 3d. Deși orbitalii d ai elementelor de tranziție sunt, conform principiului Aufbau, ultimii care se completează atunci când se creează configurații de electroni, electronii cei mai exteriori sunt primii pierduți atunci când acești atomi se ionizează. Când metalele de tranziție interioară formează ioni, acestea au, în general, o sarcină de 3 +, rezultată din pierderea electronilor lor externi și a unui electron d sau f.

Exemplu \ (\ PageIndex \): DETERMINAREA STRUCTURILOR ELECTRONICE ALE CATIUNILOR

Există cel puțin 14 elemente clasificate ca „oligoelemente esențiale” pentru corpul uman. Acestea sunt numite „esențiale” pentru că sunt necesare pentru funcții corporale sănătoase, „urme” pentru că sunt necesare doar în cantități mici și „elemente” chiar dacă sunt de fapt ioni. Două dintre aceste oligoelemente esențiale, cromul și zincul, sunt necesare ca Cr 3+ și Zn 2+. Scrieți configurațiile electronice ale acestor cationi.

Soluţie

Mai întâi, scrieți configurația electronică pentru atomii neutri:

Apoi, îndepărtați electronii de pe orbitalul cu energie superioară. Pentru metalele de tranziție, electronii sunt eliminați mai întâi din orbitalul s și apoi din orbitalul d. Pentru elementele blocului p, electronii sunt îndepărtați de pe orbitalii p și apoi din orbitalul s. Zincul este membru al grupului 12, deci trebuie să aibă o încărcare de 2 + și, prin urmare, pierde doar cei doi electroni din orbitalul său. Cromul este un element de tranziție și ar trebui să-și piardă electronii și apoi d electronii săi atunci când formează un cation. Astfel, găsim următoarele configurații electronice ale ionilor:

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

Potasiul și magneziul sunt necesare în dieta noastră. Scrieți configurațiile electronice ale ionilor așteptați ai acestor elemente.

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

Structuri electronice ale anionilor

Majoritatea anionilor monatomici se formează atunci când un atom neutru nemetalic câștigă suficienți electroni pentru a-și umple complet orbitalele s și p exterioare, ajungând astfel la configurația electronică a următorului gaz nobil. Prin urmare, este ușor să se determine sarcina unui astfel de ion negativ: sarcina este egală cu numărul de electroni care trebuie obținut pentru a umple orbitalii s și p ai atomului principal. Oxigenul, de exemplu, are configurația electronică 1s 2 2s 2 2p 4, în timp ce anionul de oxigen are configurația electronică a gazului nobil neon (Ne), 1s 2 2s 2 2p 6. Cei doi electroni suplimentari necesari pentru a umple orbitalii de valență dau ionului ionic sarcina de 2 - (O 2–).

Exemplu \ (\ PageIndex \): DETERMINAREA STRUCTURII ELECTRONICE A ANIONILOR

Seleniul și iodul sunt două oligoelemente esențiale care formează anioni. Scrieți configurațiile electronice ale anionilor.

Soluţie

Scrieți configurațiile electronice ale unui atom de fosfor și ionul său negativ. De sarcina anionică.

rezumat

Atomii pot câștiga sau pierde electroni pentru a forma ioni cu configurații electronice deosebit de stabile. Sarcinile pe cationii formați din metalele reprezentative pot fi ușor determinate deoarece, cu puține excepții, structurile electronice ale acestor ioni au o configurație de gaz nobil sau o carcasă de electroni complet umplută. Sarcinile de pe anionii formați de nemetale pot fi, de asemenea, ușor determinate, deoarece acești ioni se formează atunci când atomii nemetalici câștigă suficienți electroni pentru a-și umple cochilii de valență.