Dæmi um spurningar um jónísk tengi
Jónatengi er tegund efnatengis sem myndast við flutning einnar eða fleiri rafeinda frá einu atómi til annars, sem leiðir til tveggja jóna með gagnstæðar hleðslur sem síðan draga hvor aðra að sér. Þetta tengi á sér yfirleitt stað milli málma og málmleysingja. Í þessari grein munum við skoða dæmi og umræður sem tengjast jónatengjum til að hjálpa okkur að skilja þetta hugtak betur.
Skilgreining og einkenni jónískra skuldabréfa
Jónatengi myndast þegar atóm hafa samskipti til að ná stöðugri rafeindaskipan. Venjulega missa málmatóm rafeindir til að ná eðalgasskipan og verða að jákvætt hlaðnum katjónum. Aftur á móti fá málmleysingjaatóm rafeindir til sín til að verða neikvætt hlaðnar anjónir. Algengt dæmi um jónatengi er myndun natríumklóríðs (NaCl) úr natríum (Na) og klór (Cl).
Natríum (Na) hefur rafeindastillingu 2,8,1 og hefur tilhneigingu til að missa eina rafeind til að ná stöðugri stillingu upp á 2,8. Hins vegar hefur klór (Cl) rafeindastillingu upp á 2,8,7 og hefur tilhneigingu til að taka við einni rafeind til að ná stöðugri stillingu upp á 2,8,8. Þegar natríum missir eina rafeind til klórs myndast Na⁺ og Cl⁻ jónir sem dragast hvor að annarri og mynda jónatengi, sem myndar saltið NaCl.
Dæmi um vandamál 1: Myndun jónatengja í NaCl
1. Spurning: Útskýrðu hvernig jónatengi myndast milli natríums (Na) og klórs (Cl).
Svör og umræða:
– Skref 1: Ákvarða rafeindaskipanina.
– Natríum (Na): Sætistala 11, rafeindaskipan 2,8,1.
– Klór (Cl): Sætistala 17, rafeindaskipan 2,8,7.
– Skref 2: Ákvarða tilhneigingar atóma.
– Natríum (Na) hefur tilhneigingu til að losa eina rafeind til að ná 2,8 stillingunni og verður þannig Na⁺ jónin.
– Klór (Cl) hefur tilhneigingu til að taka við einni rafeind til að ná 2,8,8 stillingu og verður þannig Cl⁻ jónin.
– Skref 3: Myndun tengja.
– Natríum gefur frá sér rafeindir og verður að Na⁺ með hleðsluna +1.
Klór tekur við rafeindum og verður að Cl⁻ með hleðsluna -1.
– Na⁺ og Cl⁻ jónir dragast hvor að annarri og mynda jónatengi í stöðugu NaCl efnasambandinu.
Dæmispurning 2: Myndun jónatengja í MgO
2. Spurning: Útskýrðu hvernig jónatengi myndast milli magnesíums (Mg) og súrefnis (O) til að mynda magnesíumoxíð (MgO).
Svör og umræða:
– Skref 1: Ákvarða rafeindaskipanina.
– Magnesíum (Mg): Sætistala 12, rafeindaskipan 2,8,2.
– Súrefni (O): Sætistala 8, rafeindaskipan 2,6.
– Skref 2: Ákvarða tilhneigingar atóma.
– Magnesíum (Mg) hefur tilhneigingu til að losa tvær rafeindir til að ná 2,8 stillingunni og verður þannig Mg²⁺ jónin.
– Súrefni (O) hefur tilhneigingu til að taka við tveimur rafeindum til að ná 2,8 stillingunni og verður þannig O²⁻ jónin.
– Skref 3: Myndun tengja.
– Magnesíum losar tvær rafeindir og verður að Mg²⁺ með hleðsluna +2.
– Súrefni tekur við tveimur rafeindum og verður að O²⁻ með hleðsluna -2.
– Mg²⁺ og O²⁻ jónir dragast hvor að annarri og mynda jónatengi í MgO efnasambandinu.
Dæmi 3: Æfing í að reikna út orku NaCl-ristar
3. Spurning: Ákvarðið grindarorkuna sem þarf til að mynda NaCl úr jónum þess.
Svör og umræða:
Grindaorku er sú orka sem losnar þegar jónir í gasformi sameinast og mynda eitt mól af föstum kristal af jónasambandi. Grindaorku NaCl er hægt að áætla með Born-Haber jöfnu.
Orka kristallaðrar grindar má tákna sem heildarorkumismuninn á milli jóna í gasformi og orkunnar þegar þær eru bundnar í föstu kristalgrind.
Fyrir NaCl:
– Na sublimunarorka: ΔH_sub = 107 kJ/mól
– Na jónunarorka: ΔH_jón = 496 kJ/mól
– Sundrunarorka Cl₂: ΔH_diss/2 = 122 kJ/mól
– Rafeindasækni Cl: ΔH_ea = -349 kJ/mól
– Orka grindargrindarinnar (U): Óþekkt, við verðum að finna hana.
Úr Born-Haber hringnum getum við skrifað:
U = ΔH_sub(Na) + ΔH_jón(Na) + ΔH_dí(Cl₂)/2 + ΔH_ea(Cl) – ΔH_form
Ef við vitum að myndunarentalpían (ΔH_form) NaCl er -411 kJ/mól, þá:
U = (107 + 496 + 122 – 349) kJ/mól – (-411 kJ/mól)
U = 107 + 496 + 122 – 349 + 411
U ≈ 787 kJ/mól
Dæmi 4: Graf af hugsanlegri orku á móti fjarlægð milli jóna
4. Spurning: Teiknaðu graf af stöðuorku sem svar við fjarlægð milli Na⁺ og Cl⁻ jóna í NaCl og útskýrðu hvað gerist þegar fjarlægðin milli jónanna tveggja breytist.
Svör og umræða:
Hægt er að lýsa hugsanlegri orku milli tveggja jóna í jónískri efnasambandi með Coulomb-jöfnu:
\[ E \propto \frac{q_1 q_2}{r} \]
Þar sem \(E \) er stöðuorkan, \(q_1 \) og \(q_2 \) eru jónhleðslur og \(r \) er fjarlægðin milli jónanna. Grafið sem sýnir stöðuorku á móti fjarlægðinni milli jóna er venjulega ferill sem minnkar þegar hún nálgast núll og eykst síðan skarpt þegar fjarlægðin nálgast núll.
– Stór fjarlægð (r er mjög stór): Stöðuorkan er nálægt núlli vegna þess að aðdráttarkrafturinn milli Na⁺ og Cl⁻ jóna er mjög veikur.
– Kjörfjarlægð (u.þ.b. kristalgrindarfjarlægðin): Stöðuorkan nær lágmarki sínu, sem gefur til kynna stöðugasta ástandið þar sem Na⁺ og Cl⁻ eru nokkuð sterkt dregin að hvort öðru en ekki of nálægt. Þetta er fjarlægðin þar sem NaCl kristallinn er stöðugastur.
– Lítil fjarlægð (r er mjög lítil): Stöðuorkan eykst hratt vegna þess að fráhrinding verður á milli rafeindaskýja jónanna tveggja, sem rekur þær frá hvor annarri.
Að lokum má segja að jónatengi séu grundvallarregla í efnafræði og feli í sér rafsegulfræðilega víxlverkun milli jóna með andstæðar hleðslur. Að skilja þetta hugtak út frá ýmsum vandamálum og lausnum þeirra hjálpar okkur að skilja hegðun efnasambanda við mismunandi aðstæður. Með því að ná tökum á þessu hugtaki getum við skilið hvernig efnatengi myndast og hvernig kristallabyggingarnar sem við sjáum í daglegu lífi myndast.
