7.1 Jónatengi

Eins og þú hefur lært eru jónir frumeindir eða sameindir sem bera rafhleðslu. Katjón (jákvæð jón) myndast þegar hlutlaus frumeind missir eina eða fleiri rafeindir úr girðihveli sínu og anjón (neikvæð jón) myndast þegar hlutlaus frumeind fær eina eða fleiri rafeindir í girðihvel sitt.

Efnasambönd sem samanstanda af jónum eru kölluð jónaefni (eða sölt) og jónirnar sem þau eru gerð úr haldast saman með jónatengjum (e. ionic bonds): rafstöðukröftum sem verka á milli gagnstætt hlaðinna katjóna og anjóna. Eiginleikar jónaefna varpa ljósi á eðli jónatengja. Jónísk föst efni hafa kristalbyggingu og eru gjarnan stíf og stökk; þau hafa einnig oft hátt bræðslu- og suðumark, sem bendir til þess að jónatengi séu mjög sterk. Jónísk föst efni eru einnig lélegir rafleiðarar af sömu ástæðu – styrkur jónatengja kemur í veg fyrir að jónir geti hreyfst frjálslega í föstu formi. Flest jónísk föst efni leysast þó auðveldlega upp í vatni. Þegar jónaefni hafa leyst upp eða bráðnað eru þau framúrskarandi raf- og varmaleiðarar vegna þess að jónirnar geta hreyfst frjálslega.

Hlutlausar frumeindir og jónir þeirra hafa mjög ólíka eðlis- og efnaeiginleika. Natríumfrumeindir mynda natríummálm, sem er mjúkur, silfurhvítur málmur sem brennur kröftuglega í lofti og hvarfast með sprengikrafti við vatn. Klórfrumeindir mynda klórgas, Cl₂, sem er gulleit-grænt gas sem er afar tærandi fyrir flesta málma og mjög eitrað fyrir dýr og plöntur. Hið kröftuga efnahvarf milli frumefnanna natríums og klórs myndar hvíta, kristallaða efnasambandið natríumklóríð, venjulegt matarsalt, sem inniheldur natríumkatjónir og klóríðanjónir (Mynd 7.2). Efnasambandið sem samanstendur af þessum jónum sýnir allt aðra eiginleika en frumefnin natríum og klór. Klór er eitrað en natríumklóríð er lífsnauðsynlegt; natríumfrumeindir hvarfast kröftuglega við vatn en natríumklóríð leysist einfaldlega upp í vatni.

Three pictures are shown and labeled “a,” “b,” and “c,” from left to right. Image a shows a glass jar with a lid that is full of a clear, colorless liquid in which a silver solid is suspended. Image b depicts a glass bottle with a blue lid that is full of a yellow-green gas. Image c shows a black dish that is full of a white, crystalline solid. — Mynd 7.2 (a) Natríum er mjúkur málmur sem verður að geyma í steinolíu til að koma í veg fyrir efnahvörf við loft eða vatn. (b) Klór er föl gulleit-grænt gas. (c) Þegar þau eru sameinuð mynda þau hvíta kristalla af natríumklóríði (matarsalti). (heimild a: breyting á verki eftir „Jurii“/Wikimedia Commons)

Myndun jónaefna

Tvítengd jónaefni eru aðeins samsett úr tveimur frumefnum: málmi (sem myndar katjónirnar) og málmleysingja (sem myndar anjónirnar). Til dæmis er NaCl tvítengt jónaefni. Við getum hugsað um myndun slíkra efnasambanda út frá lotubundnum eiginleikum frumefnanna. Mörg málmfrumefni hafa tiltölulega lága jónunarorku og missa auðveldlega rafeindir. Þessi frumefni eru vinstra megin í lotu eða neðarlega í hópi í lotukerfinu. Frumeindir málmleysingja hafa tiltölulega háa rafeindasækni og taka því fúslega við rafeindum sem málmfrumeindir missa og fylla þannig girðihvel sín. Málmleysingjar finnast efst í hægra horni lotukerfisins.

Þar sem öll efni verða að vera rafhlutlaus verður heildarfjöldi jákvæðra hleðslna á katjónum jónaefnis að vera jafn heildarfjölda neikvæðra hleðslna á anjónum þess. Formúla jónaefnis táknar einfaldasta hlutfall fjölda jóna sem nauðsynlegt er til að gefa jafnan fjölda jákvæðra og neikvæðra hleðslna. Til dæmis gefur formúlan fyrir áloxíð, Al₂O₃, til kynna að þetta jónaefni innihaldi tvær álkatjónir, Al³⁺, fyrir hverjar þrjár oxíðanjónir, O²⁻ [þannig, (2 $\times$ +3) + (3 $\times$ –2) = 0].

Hins vegar er mikilvægt að hafa í huga að formúla jónaefnis táknar ekki raunverulega röðun jóna þess. Það er rangt að tala um natríumklóríð (NaCl) „sameind“ því það er ekkert eitt jónatengi, í sjálfu sér, milli neins ákveðins pars natríum- og klóríðjóna. Aðdráttarkraftarnir milli jóna eru einsleitir – þeir eru eins í allar áttir – sem þýðir að hver tiltekin jón laðast jafnt að öllum nálægum jónum með gagnstæða hleðslu. Þetta leiðir til þess að jónirnar raða sér í þéttbundna, þrívíða kristalgrind. Natríumklóríð samanstendur til dæmis af reglulegri röðun jafns fjölda Na⁺ katjóna og Cl^– anjóna (Mynd 7.3).

Two diagrams are shown and labeled “a” and “b.” Diagram a shows a cube made up of twenty-seven alternating purple and green spheres. The purple spheres are smaller than the green spheres. Diagram b shows the same spheres, but this time, they are spread out and connected in three dimensions by white rods. The purple spheres are labeled “N superscript postive sign” while the green are labeled “C l superscript negative sign.” — Mynd 7.3 Frumeindirnar í natríumklóríði (venjulegu matarsalti) eru raðaðar til að (a) hámarka víxlverkun gagnstæðra hleðslna. Minni kúlurnar tákna natríumjónir, þær stærri tákna klóríðjónir. Í stækkuðu myndinni (b) sést rúmfræðin betur. Taktu eftir að hver jón er „tengd“ öllum nærliggjandi jónum – sex í þessu tilfelli.

Sterkur rafstöðuaðdráttur milli Na⁺ og Cl^– jóna heldur þeim þétt saman í föstu NaCl. Það þarf 769 kJ af orku til að kljúfa eitt mól af föstu NaCl í aðskildar Na⁺ og Cl^– jónir á gasformi:

NaCl (s) ⟶ {Na}^{+} (g) + {Cl}^{–} (g) Δ H = 769 kJ

Rafeindaskipan katjóna

Þegar katjón myndast hefur frumeind aðalflokkafrumefnis tilhneigingu til að missa allar gildisrafeindir sínar og taka þannig upp rafeindaskipan eðalgassins sem er á undan henni í lotukerfinu. Fyrir hópa 1 (alkalímálma) og 2 (jarðalkalímálma) eru hópnúmerin jöfn fjölda gildishvolfsrafeinda og þar af leiðandi hleðslum katjónanna sem myndast úr frumeindum þessara frumefna þegar allar gildishvolfsrafeindir eru fjarlægðar. Til dæmis er kalsíum frumefni í hópi 2 en hlutlausar frumeindir þess hafa 20 rafeindir og grunnástandsrafeindaskipanina 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². Þegar Ca-frumeind missir báðar gildisrafeindir sínar er útkoman katjón með 18 rafeindir, 2+ hleðslu og rafeindaskipanina 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶. Ca²⁺ jónin er því jafnrafeinda eðalgasinu Ar.

Fyrir hópa 13–17 eru hópnúmerin 10 hærri en fjöldi gildisrafeinda (sem skýrist af möguleikanum á fullum d-undirhvolfum í frumeindum frumefna í fjórðu lotu og neðar). Þannig er hleðsla katjónar sem myndast við missi allra gildisrafeinda jöfn hópnúmerinu mínus 10. Til dæmis myndar ál (í hópi 13) 3+ jónir (Al³⁺).

Undantekningar frá væntri hegðun eiga við um frumefni neðarlega í hópunum. Auk væntanlegra jóna Tl³⁺, Sn⁴⁺, Pb⁴⁺ og Bi⁵⁺ getur að hluta til missir gildishvolfsrafeinda þessara frumeinda einnig leitt til myndunar Tl⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ og Bi³⁺ jóna. Myndun þessara 1+, 2+ og 3+ katjóna er rakin til áhrifa seinlegs rafeindapars (e. inert pair effect), sem endurspeglar tiltölulega lága orku gildis-s-rafeindaparsins fyrir frumeindir þungra frumefna í hópum 13, 14 og 15. Kvikasilfur (hópur 12) sýnir einnig óvænta hegðun: það myndar tvíatóma jón, ${{\text{Hg}}_{2}^{\text{2+}}}$ (jón mynduð úr tveimur kvikasilfursfrumeindum, með Hg-Hg tengi), auk væntanlegrar einatóma jónar Hg²⁺ (mynduð úr aðeins einni kvikasilfursfrumeind).

Hliðarmálmar og innri hliðarmálmar haga sér öðruvísi en aðalflokkafrumefni. Flestar katjónir hliðarmálma hafa 2+ eða 3+ hleðslur sem verða til við missi ystu s-rafeindar(a) þeirra fyrst, stundum fylgt eftir með missi einnar eða tveggja d-rafeinda úr næstysta hvolfinu. Til dæmis myndar járn (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²) jónina Fe²⁺ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶) við missi 4s-rafeindanna og jónina Fe³⁺ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵) við missi 4s-rafeindanna og einnar af 3d-rafeindunum. Þrátt fyrir að d-sviðrúm hliðarmálma séu – samkvæmt Aufbau-reglunni – þau síðustu sem fyllast þegar rafeindaskipan er byggð upp, eru ystu s-rafeindirnar þær fyrstu sem tapast þegar þessar frumeindir jónast. Þegar innri hliðarmálmar mynda jónir hafa þeir venjulega 3+ hleðslu, sem stafar af missi ystu s-rafeinda þeirra og d- eða f-rafeindar.

Dæmi 7.1

Ákvörðun rafeindaskipanar katjóna

Það eru að minnsta kosti 14 frumefni flokkuð sem „nauðsynleg snefilefni“ fyrir mannslíkamann. Þau eru kölluð „nauðsynleg“ vegna þess að þau eru nauðsynleg fyrir heilbrigða líkamsstarfsemi, „snefil-“ vegna þess að þeirra er aðeins krafist í litlu magni og „efni“ þrátt fyrir að vera í raun jónir. Tvö þessara nauðsynlegu snefilefna, króm og sink, eru nauðsynleg sem Cr³⁺ og Zn²⁺. Skrifið rafeindaskipan þessara katjóna.

Lausn

Fyrst skal skrifa rafeindaskipan fyrir hlutlausu frumeindirnar:

Zn: [Ar]3d¹⁰4s²

Cr: [Ar]3d⁵4s¹

Næst skaltu fjarlægja rafeindir af orkuhæsta svigrúminu. Fyrir hliðarmálma eru rafeindir fjarlægðar af s-svigrúminu fyrst og síðan af d-svigrúminu. Fyrir frumefni í p-blokkinni eru rafeindir fjarlægðar af p-svigrúmunum og síðan af s-svigrúminu. Sink er í hópi 12, þannig að það ætti að hafa hleðsluna 2+ og missir því aðeins tvær rafeindir af s-svigrúminu sínu. Króm er hliðarmálmur og ætti að missa s-rafeindir sínar og síðan d-rafeindir sínar þegar það myndar katjón. Þannig finnum við eftirfarandi rafeindaskipanir jónanna:

Zn²⁺: [Ar]3d¹⁰

Cr³⁺: [Ar]3d³

Kannaðu þekkingu þína

Kalíum og magnesíum eru nauðsynleg í mataræði okkar. Skrifaðu rafeindaskipanir jónanna sem búast má við af þessum frumefnum.

Rafeindaskipan anjóna

Flestar eineinda anjónir myndast þegar hlutlaus málmleysingjafrumeind fær nægar rafeindir til að fylla ytri s- og p-svigrúm sín alveg og nær þar með rafeindaskipan næstu eðalgastegundar. Því er einfalt að ákvarða hleðslu slíkrar neikvæðrar jónar: Hleðslan er jöfn fjölda rafeinda sem þarf að bæta við til að fylla s- og p-svigrúm móðurfrumeindarinnar. Súrefni hefur til dæmis rafeindaskipanina 1s²2s²2p⁴, en súrefnisanjónin hefur rafeindaskipan eðalgastegundarinnar neons (Ne), 1s²2s²2p⁶. Tvær viðbótarrafeindirnar sem þarf til að fylla gildisvigrúmin gefa oxíðjóninni hleðsluna 2– (O^2–).

Námsmarkmið