Ionos kötés – definíció, kialakulása és példák (NaCl, ionrács)
Ionos kötés: definíció, kialakulása és példák (NaCl, ionrács) érthetően, ábrákkal és gyakorlati példákkal — mindent az ionos kötésről egy helyen.
Az ionos kötés a nemfém és a fémion közötti elektrosztatikus vonzóerő egy óriási ionos kristályrácsban. Ez akkor következik be, amikor a töltött atomok (ionok) vonzzák egymást. Általában úgy alakul ki, hogy egy fématom elveszíti egy vagy több elektronját a nemfém atomhoz, így az egyik részecske pozitív, a másik negatív töltést kap. Minél nagyobb a töltéskülönbség a fém és a nemfém ion között, annál erősebb és energiadúsabb az ionos kötés. Sok gyakori vegyületben a töltésátrás során tipikusan legfeljebb három elektron adódik át (például a 1., 2. és 13. csoportbeli elemek esetén), de a pontos szám az elemek elektronkonfigurációjától függ.
Kialakulása — miért lesz energetikailag kedvező?
Az ionos kötés kialakulása energetikai tényezők egyensúlya: a fématomról elektron(elvonás)nál felmerülő ionizációs energia és a nemfématom elektronfogadásánál keletkező elektronaffinitás összevetése a kialakuló ionrács rácsenergiájával. Ha a rácsenergia (az ionos kristály felépülésekor felszabaduló energia) elég nagy, akkor az elektronátadás és a rendszerszintű ionos kötés létrejötte összességében energetikailag kedvező lesz. Az ionos kötésekre jellemző továbbá a nagy electronegativitás-különbség a kötésben résztvevő elemek között (gyakran a Pauling-skálán kb. 1,7 feletti különbség segíti elő az ionos jelleg kialakulását).
Tulajdonságai
- Magas olvadáspont és forráspont: az erős elektrosztatikus kölcsönhatások miatt az ionos vegyületek általában magas hőmérsékleten olvadnak, pl. a NaCl olvadáspontja ≈ 801 °C.
- Tömbszerkezet — ionrács: az ionok szabályos, ismétlődő elrendeződésben helyezkednek el (ionrács), amely növeli a szilárdságot és stabilitást.
- Törékenység: a kristályt kopogtatás hatására eltolódó ionrétegek találkozásakor egyenlő töltésű ionok kerülhetnek egymás mellé — ez taszítást eredményez és a kristály eltörik.
- Vezetőképesség: szilárd állapotban az ionos vegyületek általában nem vezetik az elektromosságot (az ionok rögzítettek), de olvadékban vagy vizes oldatban a szabad ionok mozgása miatt vezetők lesznek.
- Oldhatóság: sok ionos só jól oldódik vízben, mert a vízmolekulák dipólus jellege stabilizálja az ionokat (hidratáció), de vannak kivételek és differenciák az oldhatóság mértékében.
Példa: nátrium és klór — NaCl.
Egy fématom pozitív kationná válik, mert elektron(ok)at veszít. Egy nemfématom negatív anionná válik, mivel elektron(ok)atomot nyer. Ez történik például, amikor a nátrium és a klór egyesül, és így keletkezik a konyhasó, a NaCl. Először a nátriumatomok (Na) oxidálódnak: elveszítenek egy elektront, így pozitív töltésű nátriumionokká (Na+) alakulnak. A klóratomok elektronokat kapnak, és negatív töltésű kloridionokká (Cl-) válnak. Az így képződött ellentétes töltésű ionok egymást erősen vonzzák, és szabályos, háromdimenziós ionrácsban rendeződnek el.
A NaCl kristály típusa a rock-salt (konyhasó) szerkezet: ez gyakorlatilag egy fcc (lapközepes kockarács) elrendezés, ahol minden Na+ körül hat Cl- van (koordinációs szám 6), és fordítva. A rácsállandó (a kocka éle) nagyságrendileg 564 pm körüli érték a szobahőmérsékleten, ami konkrét méretarányt és rácssűrűséget ad a kristálynak.
Mi különbözteti meg a kovalens kötéstől?
Az ionos kötésnél a kötés lényege a teljes vagy nagyfokú elektronátadás és a keletkező töltések közti elektrosztatikus vonzás. A kovalens kötésnél ezzel szemben az elektronpár megosztása a jellemző. A kettő között fokozatosság van: sok vegyületnek van részleges ionos és részleges kovalens jellege; a domináns jelleg a résztvevő elemek electronegativitásából és elektronikus felépítéséből adódik.
Összefoglalás
Az ionos kötés a fémek és nemfémek közötti, töltésátadáson alapuló kémiai kötés, amelyet erős elektrosztatikus vonzás tart össze ionrácsokban. Jellegzetes tulajdonságai a magas olvadáspont, a kristályos ionrács, a törékenység és az, hogy olvadékban vagy oldatban vezetik az áramot. A NaCl a legismertebb példa, ahol Na+ és Cl- ionok alkotják az egyszerű és jól tanulmányozható ionrácsot.
Az ionos kötések jellemzői
- Háromdimenziós ionos szerkezet, amelyet óriás ionos kristályrácsszerkezetnek neveznek.
- Az ionos vegyületek vízben oldódnak, mivel az ionok kedvező kölcsönhatásokat alakítanak ki a vízmolekulákkal, amelyek elegendő energiát szabadítanak fel a rácsból való kiszakadáshoz.
·
- Szilárd állapotban nem vezetik az elektromosságot. Folyékony állapotban vagy vízben feloldva azonban jól vezetik az áramot, mivel az ionok szabadon mozoghatnak, és képesek töltést hordozni.
- Ellentétben állnak a kovalens kötések jellemzőivel.
- Néha, ha nincs egy tartalék valenciaelektronjuk, hogy egy teljes héjat hozzanak létre, akkor az egyik elektron kettőként viselkedik, és nyolcas alakban pörög mindkét atom körül.
- Az ionos kötések általában sokkal gyengébbek, mint a kovalens kötések.
- Az ionos vegyületek olvadási/forralási pontja magas az erős elektrosztatikus vonzóerők miatt, amelyek leküzdéséhez nagy mennyiségű hőenergia szükséges.
Kérdések és válaszok
K: Mi az az ionos kötés?
V: Az ionos kötés a nemfém és a fémion közötti elektrosztatikus vonzóerők egy óriási ionos kristályrácsban.
K: Hogyan jön létre az ionos kötés?
V: Az ionos kötés akkor jön létre, amikor a töltött atomok (ionok) vonzzák egymást. Ez azután történik, hogy egy fématom elveszíti egy vagy több elektronját a nemfématomhoz.
K: Mitől lesz erősebb az ionos kötés?
V: Minél nagyobb a töltéskülönbség a fém és a nemfém ion között, annál erősebb az ionos kötés.
K: Hány elektron adható át az ionos kötés során?
V: A folyamat során legfeljebb három elektron adható át.
K: Mi történik egy fématommal az ionos kötés során?
V: A fématom pozitív kationná válik, mert elektron(ok)at veszít.
K: Mi történik egy nemfématommal egy ionos kötés során?
V: Egy nemfématom negatív anionná válik, mivel elektron(ok)atomot nyer.
K: Le tudnál írni egy példát az ionos kötésre?
V: Egy ionos kötésre példa, amikor a nátrium és a klór egyesül, hogy a konyhasót, a NaCl-t alkossák. Először a nátriumatomok (Na) oxidálódnak és elveszítenek egy elektront, hogy pozitív töltésű nátriumionokat (Na+) képezzenek. A klóratomok elektronokat nyernek a nátriumatomoktól, és negatív töltésű kloridionokat (Cl-) képeznek. Mindkét ion most ellentétes töltésű, és erős elektrosztatikus vonzóerők tartják őket.
Keres