Legătura ionică

Legătura ionică este atracția electrostatică dintre ioni cu sarcini opuse. Ea se formează între un metal, care cedează electroni, și un nemetal, care îi primește. Cel mai cunoscut exemplu este sarea de bucătărie, clorura de sodiu.

Formarea clorurii de sodiu, în pași:

1. Atomul de sodiu are repartiția electronilor $2,8,1$ și cedează electronul din ultimul strat. Rezultă ionul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, cu repartiția $2,8$.
2. Atomul de clor are repartiția $2,8,7$ și primește acest electron. Rezultă ionul $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, cu repartiția $2,8,8$.
3. Ionii de semne opuse se atrag puternic. Atracția dintre ei este legătura ionică.
4. Ionii se așază ordonat, în nenumărate repetări, și formează un cristal.

În cristalul de $\mathrm{NaCl}$ nu există molecule. Fiecare ion $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ este înconjurat de 6 ioni $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, iar fiecare ion $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ de 6 ioni $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$. Formula $\mathrm{NaCl}$ arată doar raportul $1:1$ dintre numărul ionilor.

Sodiul metalic și clorul gazos sunt periculoase, dar clorura de sodiu, formată din ei, este inofensivă și se consumă zilnic: legătura ionică schimbă complet proprietățile substanțelor.

Alt exemplu: magneziul ($2,8,2$) cedează doi electroni, iar oxigenul ($2,6$) primește doi. Se formează $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și ${\mathrm{O}}^{2-}$, deci oxidul de magneziu, $\mathrm{MgO}$. La clorura de calciu, un ion $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ se asociază cu doi ioni $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$: $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$.

Compușii ionici se întâlnesc în viața de zi cu zi. Clorura de sodiu condimentează și conservă alimentele. Piatra de var și coaja de ou conțin carbonat de calciu. Oxidul de magneziu se folosește la căptușirea cuptoarelor, pentru că rezistă la temperaturi foarte mari. Într-un experiment simplu, un bec legat la baterie prin două fire introduse într-un pahar cu apă distilată nu se aprinde; dacă se adaugă sare de bucătărie, becul se aprinde, deoarece soluția conține ioni.

Proprietățile compușilor ionici decurg din structura lor. Sunt solizi la temperatura camerei și se topesc la temperaturi ridicate: clorura de sodiu se topește la $801{}^{\circ }\mathrm{C}$. Cristalele sunt rigide, dar fragile și se sparg la lovire. Clorura de sodiu se dizolvă în apă. Cristalul solid nu conduce curentul electric, pentru că ionii stau pe loc. Topitura și soluția apoasă conduc curentul, pentru că ionii se pot deplasa.

Cristalul de NaCl. Ionii sunt așezați alternativ, într-o rețea cubică: fiecare ion are 6 vecini de semn opus, la distanțe egale. Atracția dintre ioni se exercită în toate direcțiile, nu doar între doi ioni anume, de aceea nu se poate delimita o moleculă. Cristalele de sare au forma unor cuburi.

Exemplu 1, fluorura de calciu. Calciul ($Z=20$) are repartiția $2,8,8,2$, iar fluorul ($Z=9$) are $2,7$.

1. Calciul cedează cei doi electroni din ultimul strat și devine $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ ($2,8,8$).
2. Un atom de fluor poate primi un singur electron, deci sunt necesari doi atomi de fluor; fiecare devine ${\mathrm{F}}^{-}$ ($2,8$).
3. Sarcinile se anulează: $+2+2\cdot (-1)=0$, deci formula este $\mathrm{Ca}{\mathrm{F}}_2$.
4. Cu $M(\mathrm{Ca}{\mathrm{F}}_2)=40+2\cdot 19=78$ g/mol, conținutul de calciu este $\frac{40}{78}\cdot 100\approx 51,3\%$.

Dizolvarea în apă. Moleculele de apă sunt polare. Ele se așază în jurul ionilor de la suprafața cristalului, îi desprind din rețea și îi înconjoară. Procesul este $\mathrm{NaCl}(\mathrm{s})\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}(\mathrm{aq})$.

Exemplu 2, soluție de clorură de calciu. Pentru $1$ mol $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ dizolvat complet, ecuația $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{s})\to \mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}(\mathrm{aq})+2C{\mathrm{l}}^{-}(\mathrm{aq})$ arată $1$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $2$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. Soluția este neutră electric: $+2+2\cdot (-1)=0$.

Exemplu 3, solubilitatea. La $20{}^{\circ }\mathrm{C}$ se dizolvă cel mult $36$ g de $\mathrm{NaCl}$ în $100$ g de apă. Soluția saturată are masa $100+36=136$ g, deci concentrația procentuală masică este $\frac{36}{136}\cdot 100\approx 26,5\%$.

Exemplu 4, soluție de sare. Se prepară $250$ mL de soluție $0,5$ mol/L de $\mathrm{NaCl}$, cu $M(\mathrm{NaCl})=58,5$ g/mol.

1. $n=c\cdot V=0,5\cdot 0,25=0,125$ mol $\mathrm{NaCl}$.
2. $m=0,125\cdot 58,5\approx 7,3$ g de sare.
3. Soluția conține $0,125$ mol $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $0,125$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, în total $0,25$ mol de ioni.

Energia de formare. Cedarea unui electron de către sodiu cere energie, dar atracția dintre ioni la formarea rețelei eliberează mai multă. De aceea formarea clorurii de sodiu din elemente este exotermă, cu $411$ kJ eliberați pe mol de $\mathrm{NaCl}$. Pentru $11,7$ g de $\mathrm{NaCl}$, adică $0,2$ mol, se eliberează $0,2\cdot 411\approx 82,2$ kJ.

Compuși ionici cu ioni poliatomici. Azotatul de potasiu, $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3$, este format din ionii ${\mathrm{K}}^{+}$ și $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$. Între cei doi ioni există legătură ionică, iar în interiorul ionului azotat atomii sunt legați covalent. La dizolvare, ionul poliatomic rămâne întreg: $\mathrm{KN}{\mathrm{O}}_3(\mathrm{s})\to {\mathrm{K}}^{+}(\mathrm{aq})+\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}(\mathrm{aq})$.

Cum se recunoaște un compus ionic. Este format dintr-un metal și un nemetal, este solid cristalin, are temperatură de topire ridicată, este fragil, iar topitura și soluția lui conduc curentul electric.

Conducția electrică și topirea. În cristal, ionii vibrează în poziții fixe și nu transportă sarcină. La topire, rețeaua se destramă, iar ionii se pot mișca; topitura conduce curentul. Atracția dintre ionii de semn opus este puternică, de aceea cristalul se topește și fierbe la temperaturi ridicate ($801{}^{\circ }\mathrm{C}$ și $1413{}^{\circ }\mathrm{C}$ pentru $\mathrm{NaCl}$).

Formula unui compus ionic se obține egalând sarcinile totale: indicii sunt sarcinile încrucișate, apoi simplificate. Pentru $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$ și $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$, cel mai mic multiplu comun al lui $3$ și $2$ este $6$, deci $2$ ioni de fier și $3$ ioni sulfat: $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3$. Analog: $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ și $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$ dau $\mathrm{Ca}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$.

Numărul de ioni rezultă din disocierea completă. Pentru $0,50$ mol $\mathrm{MgC}{\mathrm{l}}_2$: $0,50$ mol $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și $2\cdot 0,50=1,00$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, în total $1,50$ mol ioni, adică $1,5\cdot 6,022\cdot 10^{23}\approx 9,03\cdot 10^{23}$ ioni. Pentru $0,10$ mol $\mathrm{A}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4{)}_3$ rezultă $0,20$ mol $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$ și $0,30$ mol $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$.

Temperatura de topire crește cu sarcinile ionilor și scade cu mărimea lor: $\mathrm{MgO}$ ($\approx 2852{}^{\circ }\mathrm{C}$) se topește mult mai sus decât $\mathrm{NaCl}$ ($801{}^{\circ }\mathrm{C}$), deoarece $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ și ${\mathrm{O}}^{2-}$ au sarcini duble și raze mici.

Legături în ioni poliatomici. În $\mathrm{NaOH}$ există legătură ionică $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}\cdots \mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ și legătură covalentă $\mathrm{O}-\mathrm{H}$; în $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}$ există legătură ionică, trei legături covalente $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ și una coordinativă.

Nu toți compușii ionici sunt solubili în apă: $\mathrm{AgCl}$, $\mathrm{BaS}{\mathrm{O}}_4$ și $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ sunt practic insolubili. Cristalele ionice sunt fragile, pentru că o deplasare a unui strat apropie ioni de același semn, care se resping.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. $\mathrm{NaCl}$ conține legături ionice;
2. $\mathrm{MgO}$ conține legături ionice;
3. $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}$ conține legături ionice;
4. $\mathrm{HCl}$ conține legături ionice.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: $\mathrm{NaCl}$ și $\mathrm{MgO}$ sunt formate din ioni, deci 1 și 2 sunt adevărate; $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}$ este format din ionii $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, deci 3 este adevărată; $\mathrm{HCl}$ este un compus covalent polar, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1, 2 și 3. Răspuns: A.

Greșeli frecvente

• Greșit: Cristalul de $\mathrm{NaCl}$ este alcătuit din molecule separate de sare.
  Corect: este o rețea de ioni $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.
• Greșit: $\mathrm{NaCl}$ solid conduce curentul la fel ca soluția sa.
  Corect: ionii din solid nu au libertatea de mișcare necesară conducerii.
• Greșit: Legătura ionică se formează între doi atomi de nemetal.
  Corect: se formează între un metal, care cedează electroni, și un nemetal, care îi primește.
• Greșit: Un ion $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ din cristal este legat de un singur ion $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$.
  Corect: este atras de 6 ioni $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ vecini, fiindcă atracția electrostatică acționează în toate direcțiile.

Înainte și după