11. Іонний зв’язок

Зв’язок такого типу реалізується у результаті взаємного електростатич-ного притягання протилежно заряджених іонів. Іони можуть бути прос-тими, тобто складатися з одного атома (наприклад, натрій-, калій-катіони, фторид-, хлорид-аніони) або складними, тобто складатися з двох і більше атомів (наприклад, амоній-катіон NH₄⁺, гідроксид-, нітрат-, сульфат-іони). Прості іони, які мають позитивний заряд, утворюються з атомів елементів із низьким потенціалом іонізації; до таких елементів належать метали го-ловних підгруп І і ІІ груп. Утворення простих негативно заряджених іонів, навпаки, характерне для атомів типових неметалів, які мають велику спо-рідненість до електрона. Тому до типових сполук з іонним типом зв’язку належать галогеніди лужних металів, наприклад, NaCl, CsF і т.ін.

На відміну від ковалентного – іонний зв’язок не характеризується спрямованістю. Це пояснюється тим, що електричне поле іона характе-ризується сферичною симетрією, тобто зменшується з відстанню по одно-му і тому ж закону в будь-якому напрямку. Тому взаємодія між іонами від-бувається однаково, незалежно від напрямку. Система з двох зарядів, од-накових за абсолютною величиною, але протилежних за знаком, утворює в навколишньому просторі електричне поле. Це означає, що два різноймен-них іони, які притягуються один до одного, зберігають здатність елек-тростатично взаємодіяти з іншими іонами. В цьому ще одна відмінність між іонними і ковалентними типами зв’язку: іонний зв’язок не характе-ризується насиченістю. Тому до даного іона може приєднуватись різне число іонів протилежного знака. Це число визначається відносними розмі-рами іонів, що взаємодіють, а також тим, що сили притягання різнойменно заряджених іонів повинні переважати над силами взаємного відштовху-вання, що діють між іонами одного знака.

Відсутність у іонному зв’язку спрямованості й насиченості зумовлює схильність іонних молекул до асоціації, тобто до приєднання їх одна до одної. При високих температурах кінетична енергія руху молекул перева-жає над енергією їх взаємного притягання: тому в газоподібному стані іонні сполуки існують у вигляді неасоційованих молекул. Але при пони-жених температурах, при переході в рідкий і, особливо, в твердий стан асоціація іонних сполук проявляється сильніше. Всі іонні сполуки в твердому стані мають не молекулярну, а іонну кристалічну гратку, в якій кожний іон оточений декількома іонами протилежного знака. При цьому всі зв’язки даного іона з сусідніми рівноправні, так що весь кристал можна розглядати як єдину гігантську “молекулу”. Атоми неметалів характеризуються позитивними значеннями “спорідненості до електрона”: при приєднанні електрона до такого атома виділяється енергія. Однак приєднання іншого електрона до атома будь-якого неметалу потребує витрат енергії, так що утворення простих багатозарядних аніонів (наприклад, О^2-, N^3-) є енергетично невигідним. Тому в таких сполуках, як оксиди (ВаО, Аl₂О₃ і інших) або сульфіди (ZnS, CuS) не утворюється “чисто” іонний зв’язок: тут хімічний зв’язок завжди носить частково ковалентний характер. Разом з тим, багатозарядні складні аніони ( і т.п.) можуть бути енергетично стійкими, тому що зайві електрони розділені між декількома атомами, так що ефективний заряд кожного з атомів не перебільшує заряду електрона.

Але навіть у типових іонних сполуках, наприклад, у галогенідах луж-них металів, не відбувається повного розділення негативних і позитивних зарядів, тобто повного переходу електрона від одного атома до іншого. Наприклад, у кристалі NaCl негативний заряд атома Хлору складає лише

0,94 заряду електрона; таким за абсолютною величиною позитивним зарядом характеризується і атом Натрію.

Неповний розділ зарядів в іонних сполуках можна пояснити взаємною поляризацією іонів, тобто впливом їх один на одного, який призводить до деформації електронних оболонок іонів. Причиною поляризації завжди слугує дія електричного поля (див., наприклад, рис. 25, пунктиром пока-зана деформація електронної оболонки іона в електричному полі), що зміщує електрони і ядра атомів у протилежних напрямах. Тому іони, які взаємодіють і протилежно заряджені, поляризують один одного.

Найбільше зміщення відчувають при поляризації електрони зовнішнього рівня; в першому наближенні можна вважати, що деформації піддається лише зов-нішня електронна оболонка. Однак, під дією одного і того ж електричного поля різні іони деформуються різною мірою. Інакше кажу-чи, поляризація різних іонів неоднакова: чим слаб-
	Рис. 25. Поляриза-ція іона в елек-тричному полі

ше пов’язані зовнішні електрони з ядром, тим легше поляризується іон, тим сильніше він деформується в електричному полі. У іонів однакового заряду, які характеризуються аналогічною будовою зовнішнього елек-тронного рівня, поляризація збільшується з ростом розміру іона, оскільки зовнішні електрони віддаляються все далі від ядра, екрануються все біль-шим числом електронних рівнів і в результаті слабше утримуються ядром. Так, у іонів лужних металів поляризація збільшується в ряду: Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺. Так само поляризація галогенід-іонів розташовується в такій послідовності: F^- < Cl^- < Br ^-< J^-.

Перетворення атома в позитивно заряджений іон завжди призводить до зменшення його розмірів. Крім того, зайвий позитивний заряд катіона утруднює деформацію його зовнішніх електронних хмар. Навпаки, нега-тивно заряджені іони завжди мають більші розміри, ніж нейтральні атоми, а зайвий негативний заряд призводить тут до відштовхування електронів і, відповідно, до ослаблення їх зв’язку з ядром. У зв’язку з цим, поляризація аніонів, як правило, значно вища від поляризації катіонів.

Поляризуюча здатність іонів, тобто їх здатність деформувати інші іони, також залежить від заряду і розміру іона. Чим більший заряд іона, тим сильніш утворене ним електричне поле; відповідно, найбільшою поля-ризуючою здатністю характеризуються багатозарядні іони. При одному і тому ж заряді напруга електричного поля поблизу іона тим вища, чим менші його розміри. Тому поляризаційна здатність іонів однакового заря-ду і аналогічної електронної будови зменшується зі збільшенням іонного радіуса. Так, у ряду катіонів лужних металів поляризаційна здатність вимі-рюється в порядку, протилежному зміні поляризації: Li⁺>Na⁺>K⁺>Rb⁺>Cs⁺.

Іонний зв’язок – це межа виявлення полярності в ковалентному зв’яз-ку. Повною мірою іонний зв’язок практично ніколи не утворюється. Вка-заний зв’язок легко виникає при взаємодії типових металів з активними неметалами.

Як приклад розглянемо електронні перегрупування, які відбуваються при взаємодії атомів Натрію і Хлору (валентні електрони підкреслені):

Na (Z =11) Cl (Z = 17)

+ 11 1s²2s²2p⁶3s¹ + 17 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵