3.7 Ионные и молекулярные соединения (Ionic and Molecular Compounds)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• определять ионные и молекулярные (ковалентные) соединения;
• предсказывать тип соединения, образующегося из элементов, по их положению в периодической таблице;
• определять формулы простых ионных соединений.

---

В обычных химических реакциях ядро каждого атома (а вместе с ним и индивидуальность элемента) остаётся неизменным. Электроны, напротив, могут присоединяться к атомам за счёт переноса от других атомов, теряться при передаче другим атомам или обобществляться с другими атомами. Перенос и обобществление электронов между атомами определяют химию элементов. При образовании некоторых соединений атомы приобретают или теряют электроны и превращаются в электрически заряженные частицы, называемые ионами (ions) (Рис. 3.39).

Рис. 3.39. (a) Атом натрия (\(\ce{Na}\)) содержит одинаковое число протонов и электронов (11) и электрически нейтрален. (b) Катион натрия (\(\ce{Na+}\)) потерял один электрон, поэтому в нём на один протон (11) больше, чем электронов (10); это даёт суммарный положительный заряд, обозначаемый верхним индексом со знаком «плюс».

С помощью периодической таблицы можно предсказывать, образует ли атом анион или катион, и зачастую — какой заряд будет у получающегося иона. Атомы многих металлов главных подгрупп теряют столько электронов, чтобы в итоге у них стало столько же электронов, сколько у атома предшествующего благородного газа. Например, атом щелочного металла (группа 1) теряет один электрон и образует катион с зарядом \(1+\); щёлочноземельный металл (группа 2) теряет два электрона и образует катион с зарядом \(2+\), и так далее. Так, нейтральный атом кальция, содержащий 20 протонов и 20 электронов, легко теряет два электрона. Получается катион с 20 протонами, 18 электронами и зарядом \(2+\). У него столько же электронов, сколько у атомов предшествующего благородного газа — аргона; обозначается такой ион \(\ce{Ca^{2+}}\). Название иона металла совпадает с названием металла, из атома которого он образовался; поэтому \(\ce{Ca^{2+}}\) называют ионом кальция.

Когда атомы неметаллов образуют ионы, они, как правило, присоединяют такое число электронов, чтобы их общее число стало равным числу электронов у атома следующего за ними в периодической таблице благородного газа. Атомы группы 17 принимают один электрон и образуют анионы с зарядом \(1-\); атомы группы 16 принимают два электрона и образуют ионы с зарядом \(2-\), и так далее. Например, нейтральный атом брома, содержащий 35 протонов и 35 электронов, может присоединить один электрон, и у него станет 36 электронов. Получается анион с 35 протонами, 36 электронами и зарядом \(1-\). У него столько же электронов, сколько у атомов следующего благородного газа — криптона; обозначается такой ион \(\ce{Br-}\). (Теория, объясняющая особое положение «электронных чисел» благородных газов, отражённое в этих правилах для предсказания образования ионов, обсуждается в одной из последующих глав этого учебника.)

Обратите внимание, насколько полезна периодическая таблица для предсказания вероятности образования ионов и их зарядов (Рис. 3.40). При движении слева направо по периодической таблице элементы главных подгрупп склонны образовывать катионы с зарядом, равным номеру группы. То есть элементы группы 1 образуют ионы \(1+\), элементы группы 2 — ионы \(2+\), и так далее. При движении справа налево элементы часто образуют анионы с отрицательным зарядом, равным числу групп, на которое мы сместились влево от благородных газов. Так, элементы группы 17 (одна группа левее благородных газов) образуют ионы \(1-\), элементы группы 16 (две группы левее) — ионы \(2-\), и так далее. Это правило можно использовать как ориентир во многих случаях, но его предсказательная сила убывает по мере движения к центру периодической таблицы. На деле переходные металлы и некоторые другие металлы часто проявляют переменные заряды, не предсказуемые по их положению в таблице. Например, медь может образовывать ионы с зарядом \(1+\) или \(2+\), а железо — с зарядом \(2+\) или \(3+\).

Рис. 3.40. Некоторые элементы при образовании ионов проявляют закономерное изменение заряда.

Пример 3.15. Состав ионов

Задача. Ион, входящий в состав некоторых соединений, применяемых в антиперспирантах, содержит 13 протонов и 10 электронов. Каков его символ?

Решение. Поскольку число протонов при образовании иона из атома не меняется, атомный номер элемента равен 13. По периодической таблице видно, что это алюминий (\(\ce{Al}\)). Атом \(\ce{Al}\) потерял три электрона, поэтому у него на три положительных заряда (13) больше, чем электронов (10). Это катион алюминия \(\ce{Al^{3+}}\).

Проверь себя. Приведите символ и название иона с 34 протонами и 36 электронами.

Ответ: \(\ce{Se^{2-}}\) — селенид-ион.

Пример 3.16. Образование ионов

Задача. Магний и азот реагируют с образованием ионного соединения. Предскажите, какой элемент образует анион, какой — катион, и каковы заряды каждого иона. Запишите символ каждого иона и назовите их.

Решение. Положение магния в периодической таблице (группа 2) показывает, что это металл. Металлы образуют положительные ионы (катионы). Чтобы у атома магния стало столько же электронов, сколько у атома предшествующего благородного газа — неона, он должен потерять два электрона. Таким образом, атом магния образует катион, в котором на два электрона меньше, чем протонов, и заряд равен \(2+\). Символ иона — \(\ce{Mg^{2+}}\), и его называют ионом магния.

Положение азота в периодической таблице (группа 15) показывает, что это неметалл. Неметаллы образуют отрицательные ионы (анионы). Чтобы у атома азота стало столько же электронов, сколько у атома следующего благородного газа — неона, он должен присоединить три электрона. Таким образом, атом азота образует анион, в котором на три электрона больше, чем протонов, и заряд равен \(3-\). Символ иона — \(\ce{N^{3-}}\), и его называют нитрид-ионом.

Проверь себя. Алюминий и углерод реагируют с образованием ионного соединения. Предскажите, какой элемент образует анион, какой — катион, и каковы заряды каждого иона. Запишите символ каждого иона и назовите их.

Ответ: \(\ce{Al}\) образует катион с зарядом \(3+\): \(\ce{Al^{3+}}\) — ион алюминия. \(\ce{C}\) образует анион с зарядом \(4-\): \(\ce{C^{4-}}\) — карбид-ион.

Рассмотренные до сих пор ионы называются одноатомными ионами (monatomic ions), то есть ионами, образованными лишь одним атомом. Существует также множество многоатомных ионов (polyatomic ions). Эти ионы ведут себя как обособленные частицы и представляют собой электрически заряженные молекулы (группы связанных между собой атомов с суммарным зарядом). Некоторые из наиболее важных многоатомных ионов перечислены в Таблице 3.4. Оксоанионы (oxyanions) — это многоатомные ионы, содержащие один или несколько атомов кислорода. На этом этапе изучения химии следует запомнить названия, формулы и заряды наиболее распространённых многоатомных ионов. Поскольку они встречаются постоянно, вы быстро с ними освоитесь.

Таблица 3.4. Распространённые многоатомные ионы

Название	Формула	Соответствующая кислота	Формула
аммоний	\(\ce{NH4+}\)	—	—
гидроксоний	\(\ce{H3O+}\)	—	—
пероксид	\(\ce{O2^{2-}}\)	—	—
гидроксид	\(\ce{OH-}\)	—	—
ацетат	\(\ce{CH3COO-}\)	уксусная кислота	\(\ce{CH3COOH}\)
цианид	\(\ce{CN-}\)	циановодородная кислота	\(\ce{HCN}\)
азид	\(\ce{N3-}\)	азидоводородная кислота	\(\ce{HN3}\)
карбонат	\(\ce{CO3^{2-}}\)	угольная кислота	\(\ce{H2CO3}\)
гидрокарбонат	\(\ce{HCO3-}\)	—	—
нитрат	\(\ce{NO3-}\)	азотная кислота	\(\ce{HNO3}\)
нитрит	\(\ce{NO2-}\)	азотистая кислота	\(\ce{HNO2}\)
сульфат	\(\ce{SO4^{2-}}\)	серная кислота	\(\ce{H2SO4}\)
гидросульфат	\(\ce{HSO4-}\)	—	—
сульфит	\(\ce{SO3^{2-}}\)	сернистая кислота	\(\ce{H2SO3}\)
гидросульфит	\(\ce{HSO3-}\)	—	—
фосфат	\(\ce{PO4^{3-}}\)	ортофосфорная кислота	\(\ce{H3PO4}\)
гидрофосфат	\(\ce{HPO4^{2-}}\)	—	—
дигидрофосфат	\(\ce{H2PO4-}\)	—	—
перхлорат	\(\ce{ClO4-}\)	хлорная кислота	\(\ce{HClO4}\)
хлорат	\(\ce{ClO3-}\)	хлорноватая кислота	\(\ce{HClO3}\)
хлорит	\(\ce{ClO2-}\)	хлористая кислота	\(\ce{HClO2}\)
гипохлорит	\(\ce{ClO-}\)	хлорноватистая кислота	\(\ce{HClO}\)
хромат	\(\ce{CrO4^{2-}}\)	хромовая кислота	\(\ce{H2CrO4}\)
дихромат	\(\ce{Cr2O7^{2-}}\)	двухромовая кислота	\(\ce{H2Cr2O7}\)
перманганат	\(\ce{MnO4-}\)	марганцовая кислота	\(\ce{HMnO4}\)

Обратите внимание, что для некоторых многоатомных ионов существует своя система наименований: суффиксы -ат и -ит указывают на многоатомные ионы с бо́льшим или меньшим числом атомов кислорода соответственно. Приставки пер- (сокращение от «гипер-») и гипо- (от греческого «под») означают «больше атомов кислорода, чем у иона на -ат» и «меньше атомов кислорода, чем у иона на -ит» соответственно. Например, перхлорат — это \(\ce{ClO4-}\), хлорат — \(\ce{ClO3-}\), хлорит — \(\ce{ClO2-}\), а гипохлорит — \(\ce{ClO-}\). К сожалению, число атомов кислорода, отвечающее данному суффиксу или приставке, не одинаково: например, нитрат — это \(\ce{NO3-}\), тогда как сульфат — \(\ce{SO4^{2-}}\). Это подробнее рассматривается далее в разделе, посвящённом номенклатуре.

Характер сил притяжения, удерживающих атомы или ионы внутри соединения, лежит в основе классификации химической связи. Когда электроны переносятся и образуются ионы, возникают ионные связи (ionic bonds). Ионные связи — это электростатические силы притяжения, то есть силы притяжения между объектами с противоположными электрическими зарядами (в данном случае — катионами и анионами). Когда электроны «обобществляются» и образуются молекулы, возникают ковалентные связи (covalent bonds). Ковалентные связи — это силы притяжения между положительно заряженными ядрами связанных атомов и одной или несколькими парами электронов, расположенных между этими атомами. Соединения относят к ионным или молекулярным (ковалентным) в зависимости от присутствующих в них связей.

Ионные соединения

Когда элемент, состоящий из атомов, легко теряющих электроны (металл), реагирует с элементом, состоящим из атомов, легко принимающих электроны (неметаллом), обычно происходит перенос электронов и образуются ионы. Получающееся соединение стабилизируется электростатическим притяжением (ионными связями) между присутствующими в нём ионами противоположного знака. Например, когда каждый атом натрия в образце металлического натрия (группа 1) отдаёт по одному электрону, образуя катион натрия \(\ce{Na+}\), а каждый атом хлора в образце газообразного хлора (группа 17) принимает один электрон, образуя хлорид-анион \(\ce{Cl-}\), получающееся соединение \(\ce{NaCl}\) состоит из ионов натрия и ионов хлора в отношении один ион \(\ce{Na+}\) на каждый ион \(\ce{Cl-}\). Точно так же каждый атом кальция (группа 2) может отдать два электрона, передав по одному двум атомам хлора, и образовать \(\ce{CaCl2}\) — соединение, состоящее из ионов \(\ce{Ca^{2+}}\) и \(\ce{Cl-}\) в отношении один ион \(\ce{Ca^{2+}}\) к двум ионам \(\ce{Cl-}\).

Соединение, содержащее ионы и удерживаемое ионными связями, называют ионным соединением (ionic compound). Периодическая таблица помогает распознать многие ионные соединения: если металл соединён с одним или несколькими неметаллами, такое соединение, как правило, является ионным. Это правило хорошо работает для предсказания образования ионных соединений в большинстве случаев, встречающихся в начальном курсе химии. Однако оно соблюдается не всегда (например, хлорид алюминия \(\ce{AlCl3}\) не является ионным).

Ионные соединения часто можно распознать по их свойствам. Ионные соединения — это твёрдые вещества, которые обычно плавятся при высоких температурах и кипят при ещё более высоких. Например, хлорид натрия плавится при \(801\ \text{°C}\) и кипит при \(1413\ \text{°C}\). (Для сравнения: молекулярное соединение вода плавится при \(0\ \text{°C}\) и кипит при \(100\ \text{°C}\).) В твёрдом состоянии ионное соединение не проводит электрический ток, поскольку его ионы не способны перемещаться («электричество» — это поток заряженных частиц). Однако в расплавленном виде оно может проводить ток, потому что его ионы получают возможность свободно двигаться по жидкости (Рис. 3.41).

Рис. 3.41. Хлорид натрия плавится при \(801\ \text{°C}\) и проводит электрический ток в расплавленном состоянии. (источник: модификация работы Марка Блейзера и Мэтта Эванса)

Дополнительно

Посмотрите видео по ссылке (http://openstax.org/l/16moltensalt), чтобы увидеть, как смесь солей плавится и начинает проводить электрический ток.

В любом ионном соединении суммарное число положительных зарядов катионов равно суммарному числу отрицательных зарядов анионов. Поэтому ионные соединения в целом электрически нейтральны, хотя и содержат положительные и отрицательные ионы. Это наблюдение помогает записывать формулу ионного соединения. Формула ионного соединения должна содержать такое соотношение ионов, чтобы числа положительных и отрицательных зарядов были равны.

Пример 3.17. Предсказание формулы ионного соединения

Задача. Драгоценный камень сапфир (Рис. 3.42) — это в основном соединение алюминия и кислорода, содержащее катионы алюминия \(\ce{Al^{3+}}\) и анионы кислорода \(\ce{O^{2-}}\). Какова формула этого соединения?

Решение. Поскольку ионное соединение должно быть электрически нейтральным, в нём должно быть одинаковое число положительных и отрицательных зарядов. Два иона алюминия, каждый с зарядом \(3+\), дадут шесть положительных зарядов, а три оксид-иона, каждый с зарядом \(2-\), дадут шесть отрицательных зарядов. Формула — \(\ce{Al2O3}\).

Проверь себя. Предскажите формулу ионного соединения, образованного катионом натрия \(\ce{Na+}\) и сульфид-анионом \(\ce{S^{2-}}\).

Ответ: \(\ce{Na2S}\).

Рис. 3.42. Чистый оксид алюминия бесцветен, но следовые количества железа и титана придают синему сапфиру его характерный цвет. (источник: модификация работы Станислава Дороненко)

Многие ионные соединения содержат многоатомные ионы (Таблица 3.4) в качестве катиона, аниона или того и другого. Как и в случае простых ионных соединений, такие соединения тоже должны быть электрически нейтральными, поэтому их формулы можно предсказывать, рассматривая многоатомные ионы как обособленные единицы. Скобки в формуле указывают на группу атомов, ведущую себя как одно целое. Например, формула фосфата кальция — одного из минералов наших костей — это \(\ce{Ca3(PO4)2}\). Эта формула показывает, что на каждые две группы \(\ce{PO4^{3-}}\) приходится три иона кальция (\(\ce{Ca^{2+}}\)). Группы \(\ce{PO4^{3-}}\) — обособленные единицы, каждая из которых состоит из одного атома фосфора и четырёх атомов кислорода и имеет общий заряд \(3-\). Соединение электрически нейтрально, а его формула отражает в сумме три атома \(\ce{Ca}\), два атома \(\ce{P}\) и восемь атомов \(\ce{O}\).

Пример 3.18. Предсказание формулы соединения с многоатомным анионом

Задача. Разрыхлитель теста содержит дигидрофосфат кальция — ионное соединение, состоящее из ионов \(\ce{Ca^{2+}}\) и \(\ce{H2PO4-}\). Какова формула этого соединения?

Решение. Положительные и отрицательные заряды должны компенсироваться, и ионное соединение должно быть электрически нейтральным. Следовательно, необходимо два отрицательных заряда, чтобы уравновесить заряд \(2+\) иона кальция. Это требует отношения один ион \(\ce{Ca^{2+}}\) к двум ионам \(\ce{H2PO4-}\). Для записи мы заключаем формулу дигидрофосфат-иона в скобки и ставим нижний индекс 2. Формула — \(\ce{Ca(H2PO4)2}\).

Проверь себя. Предскажите формулу ионного соединения, образованного ионом лития и пероксид-ионом \(\ce{O2^{2-}}\). (Подсказка: по периодической таблице определите знак и заряд иона лития.)

Ответ: \(\ce{Li2O2}\).

Поскольку ионное соединение не состоит из отдельных дискретных молекул, его нельзя корректно записывать молекулярной формулой. Вместо этого ионные соединения обозначают формулой, указывающей относительные числа составляющих их ионов. Для соединений, содержащих только одноатомные ионы (например, \(\ce{NaCl}\)), а также для многих соединений с многоатомными ионами (например, \(\ce{CaSO4}\)) эти формулы и есть простейшие формулы, введённые ранее. Однако формулы некоторых ионных соединений с многоатомными ионами простейшими не являются. Например, ионное соединение оксалат натрия состоит из ионов \(\ce{Na+}\) и \(\ce{C2O4^{2-}}\), соединённых в отношении \(2:1\), и его формула записывается как \(\ce{Na2C2O4}\). Нижние индексы в этой формуле — не наименьшие возможные целые числа: каждый из них можно разделить на 2 и получить простейшую формулу \(\ce{NaCO2}\). Однако такая запись не является принятой формулой оксалата натрия, поскольку не передаёт корректно его многоатомный анион \(\ce{C2O4^{2-}}\).

Молекулярные соединения

Многие соединения не содержат ионов, а состоят исключительно из дискретных нейтральных молекул. Эти молекулярные соединения (molecular compounds), или ковалентные соединения, образуются, когда атомы обобществляют электроны, а не передают их (не отдают и не принимают). Ковалентная связь — важное и обширное понятие химии, ему посвящена отдельная глава в дальнейших разделах учебника. Молекулярные соединения часто можно распознать по их физическим свойствам. При обычных условиях они нередко существуют в виде газов, низкокипящих жидкостей и легкоплавких твёрдых веществ, хотя из этого правила есть много важных исключений.

Если ионные соединения, как правило, образуются при соединении металла и неметалла, то ковалентные соединения обычно образуются при соединении неметаллов между собой. Таким образом, периодическая таблица помогает распознать многие ковалентные соединения. Хотя по положению элементов соединения в периодической таблице можно предсказать, ионное оно или ковалентное, на данном этапе изучения химии следует помнить, что этот подход — очень упрощённый и не учитывает целого ряда интересных исключений. Между ионными и молекулярными соединениями существуют «оттенки серого», о которых вы узнаете позднее.

Пример 3.19. Предсказание типа связи в соединениях

Задача. Предскажите, являются ли следующие соединения ионными или молекулярными:

(a) \(\ce{KI}\) — соединение, используемое как источник йода в поваренной соли;

(b) \(\ce{H2O2}\) — пероксид водорода, отбеливатель и дезинфицирующее средство;

© \(\ce{CHCl3}\) — хлороформ, средство для анестезии;

(d) \(\ce{Li2CO3}\) — источник лития в антидепрессантах.

Решение.

(a) Калий (группа 1) — металл, йод (группа 17) — неметалл; \(\ce{KI}\) предположительно ионное соединение.

(b) Водород (группа 1) — неметалл, кислород (группа 16) — неметалл; \(\ce{H2O2}\) предположительно молекулярное.

© Углерод (группа 14) — неметалл, водород (группа 1) — неметалл, хлор (группа 17) — неметалл; \(\ce{CHCl3}\) предположительно молекулярное.

(d) Литий (группа 1) — металл, а карбонат — многоатомный ион; \(\ce{Li2CO3}\) предположительно ионное.

Проверь себя. Пользуясь периодической таблицей, предскажите, являются ли следующие соединения ионными или ковалентными:

(a) \(\ce{SO2}\);

(b) \(\ce{CaF2}\);

© \(\ce{N2H4}\);

(d) \(\ce{Al2(SO4)3}\).

Ответ: (a) молекулярное; (b) ионное; © молекулярное; (d) ионное.