Pavyzdiniai klausimai, aptariantys joninius ryšius
Joninis ryšys yra cheminio ryšio tipas, susidarantis vienam ar keliems elektronams pereinant iš vieno atomo į kitą, susidarant dviem priešingai krūvius turintiems jonams, kurie vėliau vienas kitą traukia. Šis ryšys paprastai susidaro tarp metalų ir nemetalų. Šiame straipsnyje apžvelgsime su joniniu ryšiu susijusius pavyzdžius ir diskusijas, kad geriau suprastume šią sąvoką.
Joninių jungčių apibrėžimas ir charakteristikos
Joniniai ryšiai susidaro, kai atomai sąveikauja, kad pasiektų stabilesnę elektronų konfigūraciją. Paprastai metalų atomai praranda elektronus, kad pasiektų inertinių dujų konfigūraciją ir taptų teigiamai įkrautais katijonais. Ir atvirkščiai, nemetalų atomai įgyja elektronus, kad taptų neigiamai įkrautais anijonais. Dažnas joninių jungčių pavyzdys yra natrio chlorido (NaCl) susidarymas iš natrio (Na) ir chloro (Cl).
Natrio (Na) elektronų konfigūracija yra 2,8,1 ir jis linkęs prarasti vieną elektroną, kad pasiektų stabilią 2,8 konfigūraciją. Kita vertus, chloro (Cl) elektronų konfigūracija yra 2,8,7 ir jis linkęs priimti vieną elektroną, kad pasiektų stabilią 2,8,8 konfigūraciją. Kai natris praranda vieną elektroną chlorui, susidaro Na⁺ ir Cl⁻ jonai, kurie traukia vienas kitą ir sudaro joninį ryšį, taip susidarant druskai NaCl.
1 pavyzdžio problema: Joninių jungčių susidarymas NaCl
1. Klausimas: Paaiškinkite, kaip susidaro joniniai ryšiai tarp natrio (Na) ir chloro (Cl).
Atsakymai ir diskusija:
– 1 veiksmas: nustatykite elektronų konfigūraciją.
– Natris (Na): atominis skaičius 11, elektronų konfigūracija 2,8,1.
– Chloras (Cl): atominis skaičius 17, elektronų konfigūracija 2,8,7.
– 2 veiksmas: nustatykite atomines tendencijas.
– Natris (Na) linkęs išskirti vieną elektroną, kad pasiektų 2,8 konfigūraciją ir taptų Na⁺ jonu.
– Chloras (Cl) linkęs priimti vieną elektroną, kad pasiektų 2,8,8 konfigūraciją ir taptų Cl⁻ jonu.
– 3 žingsnis: Ryšio formavimasis.
– Natris išskiria elektronus ir virsta Na⁺, kurio krūvis yra +1.
– Chloras priima elektronus ir tampa Cl⁻, kurio krūvis yra -1.
– Na⁺ ir Cl⁻ jonai traukia vienas kitą ir sudaro joninius ryšius stabiliame NaCl junginyje.
2 pavyzdžio klausimas: Joninių jungčių susidarymas MgO
2. Klausimas: Paaiškinkite, kaip susidaro joninis ryšys tarp magnio (Mg) ir deguonies (O) ir magnio oksidas (MgO).
Atsakymai ir diskusija:
– 1 veiksmas: nustatykite elektronų konfigūraciją.
– Magnis (Mg): atominis skaičius 12, elektronų konfigūracija 2,8,2.
– Deguonis (O): atominis skaičius 8, elektronų konfigūracija 2,6.
– 2 veiksmas: nustatykite atomines tendencijas.
– Magnis (Mg) linkęs išskirti du elektronus, kad pasiektų 2,8 konfigūraciją ir taptų Mg²⁺ jonu.
– Deguonis (O) linkęs priimti du elektronus, kad pasiektų 2,8 konfigūraciją ir taptų O²⁻ jonu.
– 3 žingsnis: Ryšio formavimasis.
– Magnis išskiria du elektronus ir virsta Mg²⁺, kurio krūvis yra +2.
– Deguonis priima du elektronus ir virsta O²⁻, kurio krūvis yra -2.
– Mg²⁺ ir O²⁻ jonai traukia vienas kitą ir sudaro joninius ryšius MgO junginyje.
3 pavyzdys: NaCl gardelės energijos apskaičiavimo pratimas
3. Klausimas: Nustatykite kristalinės gardelės energiją, reikalingą NaCl susidarymui iš jonų.
Atsakymai ir diskusija:
Gardelės energija yra energija, išsiskirianti, kai dujinės būsenos jonai susijungia ir sudaro vieną molį joninio junginio kieto kristalo. NaCl gardelės energiją galima įvertinti naudojant Borno-Haberio lygtį.
Gardelės energiją galima išreikšti kaip bendrą energijos skirtumą tarp jonų dujinėje būsenoje ir energijos, kai jie yra surišti kietoje kristalinėje gardelėje.
NaCl atveju:
– Na sublimacijos energija: ΔH_sub = 107 kJ/mol
– Na jonizacijos energija: ΔH_jonas = 496 kJ/mol
– Cl₂ disociacijos energija: ΔH_dis/2 = 122 kJ/mol
– Cl elektronų afinitetas: ΔH_ea = -349 kJ/mol
– Gardelės energija (U): nežinoma, turime ją rasti.
Iš Borno-Haberio ciklinio sutapimo galime parašyti:
U = ΔH_sub(Na₂) + ΔH_jonas(Na₂) + ΔH_diss(Cl₂)/2 + ΔH_ea(Cl₂) – ΔH_forma
Jei žinome, kad NaCl susidarymo entalpija (ΔH_forma) yra -411 kJ/mol, tai:
U = (107 + 496 + 122 – 349) kJ/mol – (-411 kJ/mol)
U = 107 + 496 + 122 – 349 + 411
U ≈ 787 kJ/mol
4 pavyzdys: Potencialios energijos ir atstumo tarp jonų grafikas
4. Klausimas: Nubraižykite Na⁺ ir Cl⁻ jonų potencialinės energijos ir atstumo NaCl tirpale grafiką ir paaiškinkite, kas nutinka, kai pasikeičia atstumas tarp šių dviejų jonų.
Atsakymai ir diskusija:
Dviejų jonų joniniame junginyje potencialią energiją galima apibūdinti Kulono lygtimi:
\[ E \propto \frac{q_1 q_2}{r} \]
Kur \(E \) yra potencialinė energija, \(q_1 \) ir \(q_2 \) yra jonų krūviai, o \(r \) yra atstumas tarp jonų. Potencinės energijos ir atstumo tarp jonų grafikas paprastai yra kreivė, kuri mažėja artėjant prie nulio, o po to staigiai didėja, artėjant prie nulio.
– Didelis atstumas (r yra labai didelis): potencinė energija artima nuliui, nes traukos jėga tarp Na⁺ ir Cl⁻ jonų yra labai silpna.
– Idealus atstumas (apytiksliai kristalinės gardelės atstumas): potencinė energija pasiekia minimalią vertę, rodančią stabiliausią būseną, kurioje Na⁺ ir Cl⁻ traukia gana stipriai, bet ne per arti. Tai atstumas, kuriame NaCl kristalas yra stabiliausias.
– Mažas atstumas (r yra labai mažas): potencinė energija smarkiai padidėja, nes tarp dviejų jonų elektronų debesų atsiranda stūma, kuri juos stumia vienas nuo kito.
Apibendrinant galima teigti, kad joninis ryšys yra pagrindinis chemijos principas, apimantis elektromagnetinę sąveiką tarp priešingai įkrautų jonų. Šios sąvokos supratimas per įvairias uždavinių rūšis ir jų sprendimus padeda mums suprasti junginių elgesį įvairiomis sąlygomis. Įvaldę šią sąvoką, galime suprasti, kaip susidaro cheminiai ryšiai ir kaip susidaro kristalinės struktūros, su kuriomis susiduriame kasdieniame gyvenime.
