Йони та іонні сполуки Вступна хімія
Наразі ми обговорювали елементи та сполуки, які є електрично нейтральними. Вони мають таку ж кількість електронів, як і протони, тому негативні заряди електронів врівноважуються позитивними зарядами протонів. Однак це не завжди так. Електрони можуть переходити від одного атома до іншого; коли вони це роблять, утворюються види з загальними електричними зарядами. Такі види називаються іонами. Види із загальними позитивними зарядами називаються катіонами, тоді як види із загальними негативними зарядами називаються аніонами. Пам’ятайте, що іони утворюються лише тоді, коли електрони переходять від одного атома до іншого; протон ніколи не рухається від одного атома до іншого. З'єднання, утворені з позитивних і негативних іонів, називаються іонними сполуками .
Окремі атоми можуть отримувати або втрачати електрони. Коли вони це роблять, вони стають одноатомними іонами. Коли атоми набирають або втрачають електрони, вони зазвичай набирають або втрачають характерну кількість електронів і тому приймають характерний загальний заряд. У таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів” перераховані деякі загальні іони з точки зору того, скільки електронів вони втрачають (утворюючи катіони) або отримують (утворюючи аніони). Є кілька речей, які слід помітити щодо іонів у таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів”. По-перше, кожен елемент, який утворює катіони, є металом, за винятком одного (водень), тоді як кожен елемент, що утворює аніони, є неметалом. Це насправді одна з хімічних властивостей металів і неметалів: метали мають тенденцію утворювати катіони, тоді як неметали мають тенденцію утворювати аніони. По-друге, більшість атомів утворюють іони одного характерного заряду. Коли атоми натрію утворюють іони, вони завжди утворюють заряд 1+, ніколи не 2+ або 3+ або навіть 1− заряд. Таким чином, якщо ви передасте пам’яті інформацію, наведену в таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів”, ви завжди будете знати, які заряди утворюють більшість атомів. (У розділі 9 «Хімічні зв’язки» ми обговоримо, чому атоми утворюють заряди, які вони роблять).
Таблиця 3.6 Одноатомні іони різних зарядів
| Іони, утворені втратою одного електрона | H + |
| Na + | |
| К + | |
| Rb + | |
| Ag + | |
| Au + | |
| Іони, утворені втратою двох електронів | Mg 2+ |
| Са 2+ | |
| Sr 2+ | |
| Fe 2+ | |
| Co 2+ | |
| Ni 2+ | |
| Cu 2+ | |
| Zn 2+ | |
| Sn 2+ | |
| Hg 2+ | |
| Pb 2+ | |
| Іони, утворені втратою трьох електронів | Sc 3+ |
| Fe 3+ | |
| Co 3+ | |
| Ni 3+ | |
| Au 3+ | |
| Al 3+ | |
| Cr 3+ | |
| Іони, утворені втратою чотирьох електронів | Ti 4+ |
| Sn 4+ | |
| Pb 4+ | |
| Іони, що утворюються при отриманні одиничного електрона | F - |
| Cl - | |
| Br - | |
| Я - | |
| Іони, що утворюються при отриманні двох електронів | O 2− |
| S 2− | |
| Se 2− | |
| Іони, що утворюються при отриманні трьох електронів | N 3− |
| P 3− |
По-третє, є деякі винятки з попереднього пункту. Кілька елементів, усі метали, можуть утворювати більше одного можливого заряду. Наприклад, атоми заліза можуть утворювати 2+ катіони або 3+ катіони. Кобальт - ще один елемент, який може утворювати більше одного можливого зарядженого іона (2+ і 3+), тоді як свинець може утворювати 2+ або 4+ катіони. На жаль, мало розуміння, які два заряди може зайняти атом металу, тому найкраще просто запам'ятати можливі заряди, які може мати певний елемент.
Зверніть увагу на умову позначення іона. Величина заряду вказана як правильний верхній індекс поряд із символом елемента. Якщо заряд є одним позитивним чи негативним, цифра 1 не пишеться; якщо величина заряду більша за 1, то число пишеться перед знаком + або -. Символом елемента без заряду, написаного поруч із ним, вважається незаряджений атом.
Присвоєння іону просто. Для катіона просто вкажіть ім’я елемента та додайте слово ion (або, якщо ви хочете бути більш конкретним, додайте катіон) після назви елемента. Отже Na + - це іон натрію; Са 2+ - це іон кальцію. Якщо елемент має більше одного можливого заряду, значення заряду настає після назви елемента та перед словом ion. Таким чином, Fe 2+ - це іон заліза двох, тоді як Fe 3+ - три іон заліза. У друкованому вигляді ми використовуємо римські цифри в дужках для представлення заряду на іоні, тому ці два іони заліза були б представлені як катіон заліза (II) та катіон заліза (III) відповідно.
Для одноатомного аніона використовуйте стовбур імені елемента та додайте до нього суфікс -ide, а потім додайте ion. Це схоже на те, як ми називали молекулярні сполуки. Таким чином, Cl - хлористий іон, а N 3− - нітрид-іон.
Приклад 6
Назвіть кожен вид.
- O 2−
- Співпраця
- Co 2+
- Цей вид має на собі 2 - заряд, тому він є аніоном. Аніони називаються за допомогою основи імені елемента з доданим суфіксом -ide. Це оксидний аніон.
- Оскільки цей вид не має заряду, це атом у своїй елементній формі. Це кобальт.
- У цьому випадку на атомі є заряд 2+, тож він є катіоном. З таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів” зазначаємо, що катіони кобальту можуть мати два можливі заряди, тому в назві іона повинно бути вказано, який заряд у іона. Це катіон кобальту (II).
Назвіть кожен вид.
- P 3−
- Sr 2+
- фосфідний аніон
- катіон стронцію
Хімічні формули іонних сполук називаються іонними формулами. Власна іонна формула має в собі катіон і аніон; іонна сполука ніколи не утворюється між двома катіонами або двома аніонами. Ключ до написання власних іонних формул простий: загальний позитивний заряд повинен збалансувати загальний негативний заряд. Оскільки заряди на іонах характерні, іноді нам доводиться мати більше одного катіона або аніона, щоб збалансувати загальні позитивні та негативні заряди. Зазвичай використовують найнижче співвідношення іонів, необхідних для збалансування зарядів.
Наприклад, розглянемо іонну сполуку між Na + і Cl -. Кожен іон має один заряд, один позитивний і один негативний, тому нам потрібен лише один іон кожного, щоб збалансувати загальний заряд. При написанні іонної формули ми дотримуємося двох додаткових домовленостей: (1) спочатку напишіть формулу катіона, а далі формулу аніона, але (2) не записуйте заряди на іони. Таким чином, для сполуки між Na + і Cl - ми маємо іонну формулу NaCl (рис. 3.5 “NaCl = кухонна сіль”). Формула Na 2Cl 2 також має збалансовані заряди, але загальноприйнята умова полягає у використанні найнижчого співвідношення іонів, яке було б одним із кожного. (Пам’ятайте з наших конвенцій щодо написання формул, що ми не пишемо індекс 1, якщо присутній лише один атом певного елемента.) Для іонної сполуки між катіонами магнію (Mg 2+) та оксидними аніонами (O 2−), знову нам потрібен лише один з кожного іона, щоб збалансувати заряди. За домовленістю формулою є MgO.