Прыклады пытанняў па абмеркаванні іонных сувязяў
Іонная сувязь — гэта тып хімічнай сувязі, якая ўтвараецца ў выніку пераносу аднаго або некалькіх электронаў ад аднаго атама да іншага, у выніку чаго ўтвараюцца два іоны з процілеглымі зарадамі, якія затым прыцягваюцца адзін да аднаго. Такая сувязь звычайна ўзнікае паміж металамі і неметаламі. У гэтым артыкуле мы разгледзім прыклады і дыскусіі, звязаныя з іоннай сувяззю, каб лепш зразумець гэтую канцэпцыю.
Вызначэнне і характарыстыкі іонных сувязяў
Іённыя сувязі ўзнікаюць, калі атамы ўзаемадзейнічаюць, каб дасягнуць больш стабільнай электроннай канфігурацыі. Як правіла, атамы металаў губляюць электроны, каб дасягнуць канфігурацыі высакароднага газу, ператвараючыся ў станоўча зараджаныя катыёны. І наадварот, атамы неметалаў набываюць электроны, ператвараючыся ў адмоўна зараджаныя аніёны. Тыповым прыкладам іённай сувязі з'яўляецца ўтварэнне хларыду натрыю (NaCl) з натрыю (Na) і хлору (Cl).
Натрый (Na) мае электронную канфігурацыю 2,8,1 і, як правіла, губляе адзін электрон, каб дасягнуць стабільнай канфігурацыі 2,8. З іншага боку, хлор (Cl) мае электронную канфігурацыю 2,8,7 і, як правіла, прымае адзін электрон, каб дасягнуць стабільнай канфігурацыі 2,8,8. Калі натрый губляе адзін электрон на карысць хлору, утвараюцца іоны Na⁺ і Cl⁻, якія прыцягваюцца адзін да аднаго, утвараючы іонную сувязь, утвараючы соль NaCl.
Прыклад задачы 1: Утварэнне іонных сувязяў у NaCl
1. Пытанне: Растлумачце, як утвараюцца іонныя сувязі паміж натрыем (Na) і хлорам (Cl).
Адказы і абмеркаванне:
– Крок 1: Вызначце электронную канфігурацыю.
– Натрый (Na): атамны нумар 11, электронная канфігурацыя 2,8,1.
– Хлор (Cl): атамны нумар 17, электронная канфігурацыя 2,8,7.
– Крок 2: Вызначце атамныя тэндэнцыі.
– Натрый (Na) мае тэндэнцыю вызваляць адзін электрон, каб дасягнуць канфігурацыі 2,8, ператвараючыся ў іон Na⁺.
– Хлор (Cl) мае тэндэнцыю прымаць адзін электрон для дасягнення канфігурацыі 2,8,8, ператвараючыся ў іон Cl⁻.
– Крок 3: Утварэнне аблігацый.
– Натрый вызваляе электроны і ператвараецца ў Na⁺ з зарадам +1.
– Хлор прымае электроны, ператвараючыся ў Cl⁻ з зарадам -1.
– Іоны Na⁺ і Cl⁻ прыцягваюцца адзін да аднаго і ўтвараюць іонныя сувязі ў стабільным злучэнні NaCl.
Прыклад пытання 2: Утварэнне іонных сувязяў у MgO
2. Пытанне: Растлумачце, як утвараецца іённая сувязь паміж магніем (Mg) і кіслародам (O) з утварэннем аксіду магнію (MgO).
Адказы і абмеркаванне:
– Крок 1: Вызначце электронную канфігурацыю.
– Магній (Mg): атамны нумар 12, электронная канфігурацыя 2,8,2.
– Кісларод (O): атамны нумар 8, электронная канфігурацыя 2,6.
– Крок 2: Вызначце атамныя тэндэнцыі.
– Магній (Mg) мае тэндэнцыю вызваляць два электроны для дасягнення канфігурацыі 2,8, ператвараючыся ў іон Mg²⁺.
– Кісларод (O) мае тэндэнцыю прымаць два электроны для дасягнення канфігурацыі 2,8, ператвараючыся ў іон O²⁻.
– Крок 3: Утварэнне аблігацый.
– Магній вызваляе два электроны, ператвараючыся ў Mg²⁺ з зарадам +2.
– Кісларод прымае два электроны, ператвараючыся ў O²⁻ з зарадам -2.
– Іоны Mg²⁺ і O²⁻ прыцягваюцца адзін да аднаго, утвараючы іонныя сувязі ў злучэнні MgO.
Прыклад 3: Разлік энергіі рашоткі NaCl (практыкаванне)
3. Пытанне: Вызначце энергію рашоткі, неабходную для ўтварэння NaCl з яго іонаў.
Адказы і абмеркаванне:
Энергія рашоткі — гэта энергія, якая вызваляецца, калі іоны ў газападобным стане аб'ядноўваюцца, утвараючы адзін моль цвёрдага крышталя іённага злучэння. Энергію рашоткі NaCl можна ацаніць з дапамогай ураўнення Борна-Габера.
Энергію рашоткі можна выразіць як поўную розніцу энергій паміж іонамі ў газападобным стане і энергіяй, калі яны звязаны ў цвёрдую крышталічную рашотку.
Для NaCl:
– Энергія сублімацыі Na: ΔH_sub = 107 кДж/моль
– Энергія іанізацыі Na: ΔH_ion = 496 кДж/моль
– Энергія дысацыяцыі Cl₂: ΔH_diss/2 = 122 кДж/моль
– Электронная афіннасць Cl: ΔH_ea = -349 кДж/моль
– Энергія рашоткі (U): невядомая, нам трэба яе знайсці.
З цыклічнага равенства Борна-Габера можна запісаць:
U = ΔH_sub(Na) + ΔH_ion(Na) + ΔH_diss(Cl₂)/2 + ΔH_ea(Cl) – ΔH_form
Калі вядома, што энтальпія ўтварэння (ΔH_форма) NaCl складае -411 кДж/моль, то:
U = (107 + 496 + 122 – 349) кДж/моль – (-411 кДж/моль)
U = 107 + 496 + 122 – 349 + 411
U ≈ 787 кДж/моль
Прыклад 4: Графік залежнасці патэнцыяльнай энергіі ад адлегласці паміж іонамі
4. Пытанне: Намалюйце графік залежнасці патэнцыяльнай энергіі ад адлегласці паміж іонамі Na⁺ і Cl⁻ у NaCl і растлумачце, што адбываецца пры змене адлегласці паміж двума іонамі.
Адказы і абмеркаванне:
Патэнцыяльную энергію паміж двума іонамі ў іонным злучэнні можна апісаць з дапамогай ураўнення Кулона:
\[ E \propto \frac{q_1 q_2}{r} \]
Дзе \(E \) — патэнцыяльная энергія, \(q_1 \) і \(q_2 \) — зарады іонаў, а \(r \) — адлегласць паміж іонамі. Графік залежнасці патэнцыяльнай энергіі ад адлегласці паміж іонамі звычайна ўяўляе сабой крывую, якая памяншаецца пры набліжэнні да нуля, а затым рэзка павялічваецца пры набліжэнні адлегласці да нуля.
– Вялікая адлегласць (r вельмі вялікая): патэнцыяльная энергія блізкая да нуля, таму што сіла прыцягнення паміж іонамі Na⁺ і Cl⁻ вельмі слабая.
– Ідэальная адлегласць (прыблізна адлегласць крышталічнай рашоткі): патэнцыяльная энергія дасягае свайго мінімальнага значэння, што паказвае на найбольш стабільны стан, калі Na⁺ і Cl⁻ прыцягваюцца даволі моцна, але не занадта блізка. Гэта адлегласць, на якой крышталь NaCl найбольш стабільны.
– Малая адлегласць (r вельмі малая): патэнцыяльная энергія рэзка ўзрастае, таму што паміж электроннымі аблокамі двух іонаў існуе адштурхванне, якое аддаляе іх адзін ад аднаго.
У заключэнне, іённая сувязь — гэта фундаментальны прынцып хіміі, які ўключае электрамагнітнае ўзаемадзеянне паміж процілегла зараджанымі іонамі. Разуменне гэтай канцэпцыі праз розныя тыпы задач і іх рашэнні дапамагае нам зразумець паводзіны злучэнняў у розных умовах. Авалодаўшы гэтай канцэпцыяй, мы можам зразумець, як утвараюцца хімічныя сувязі і як фарміруюцца крышталічныя структуры, з якімі мы сутыкаемся ў паўсядзённым жыцці.
