קשר איוני: מאפיינים, אופן היווצרותו ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

הקשר היוני הוא סוג של קשר כימי שבו יש הוא אטרקציה אלקטרוסטטית בין יונים בעלי מטען חשמלי הפוך. כלומר, יון טעון חיובי יוצר קשר עם יון טעון שלילי, ומעביר אלקטרונים מאטום אחד למשנהו.

קשר כימי מסוג זה מתרחש כאשר אלקטרונים ערכיים מאטום אחד מועברים דרך קבע לאטום אחר. האטום שמאבד אלקטרונים הופך לקטיון (טעון חיובי), וזה שמשיג אלקטרונים הופך לאניון (טעון שלילי).

דוגמה לקשר איוני: נתרן פלואוריד. נתרן מאבד אלקטרון של עריכה אחת ומוותר עליו לפלואור. Wdcf

מושג קשר איוני

הקשר היוני הוא זה שבאמצעותו חלקיקים המופעלים על ידי חשמל חשמלי, הנקראים יונים, מתקשרים זה בזה כדי להוליד מוצקים ונוזלים יוניים. קשר זה הוא תוצר של אינטראקציות אלקטרוסטטיות בין מאות מיליוני יונים, ואינו מוגבל רק לזוג מהם; כלומר, זה מעבר למשיכה בין מטען חיובי כלפי מטען שלילי.

קחו למשל את התרכובת היונית נתרן כלורי, NaCl, הידועה יותר בשם מלח שולחן. בשנת NaCl, את שולט קשר היוני, כך שזה מורכב Na ⁺ ו- Cl ^- יונים . Na ⁺ הוא היון או הקטיון החיובי, ואילו Cl ^- (כלוריד) הוא היון או האוניון השלילי.

יוני Na + ו- Cl בסודיום כלוריד מוחזקים יחד על ידי מליטה יונית. מקור: אייל ביירי דרך ויקיפדיה.

גם Na ⁺ וגם Cl ^- נמשכים להיות בעלי מטענים חשמליים מנוגדים. המרחקים בין יונים אלה מאפשרים לאחרים להתקרב זה לזה, כך שמופיעים זוגות וזוגות של NaCl. Na ⁺ קטיונים יהיה דוחים זה את זה כי הם חיובים שווים, ואותו קורה אחד עם השני עם Cl ^- אניונים .

יש מגיע הרגע שבו מיליוני Na ⁺ ו- Cl ^- יונים מצליחים לאחד, לאחד, כדי ליצור מבנה זה כמו יציבה ככל האפשר; אחד שנשלט על ידי מליטה יונית (תמונה עליונה). קטיוני Na ⁺ קטנים מ- Cl ^- anions בגלל הכוח הגרעיני האפקטיבי הגובר של הגרעין שלהם על אלקטרונים חיצוניים.

קשר יוני של NaCl. Rhannosh / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

הקשר היוני מאופיין בהקמת מבנים מסודרים בהם המרחק בין היונים (Na ⁺ ו- Cl ^- במקרה של NaCl) קטן בהשוואה לזה של מוצקים אחרים. אז אנחנו מדברים על מבנה גבישי יוני.

כיצד נוצר קשר יוני?

ההתקשרות היונית מתרחשת רק אם מתרחשת חלוקה של אלקטרונים כך שמתעוררים מטעני היונים. קשר מסוג זה לעולם אינו יכול להתרחש בין חלקיקים ניטרליים. חייבים בהכרח להיות קטיונים ואנונים. אבל מאיפה הם מגיעים?

איור הקשר איוני. א) נתרן נטען שלילי. ב) נתרן מוותר על אלקטרון לכלור. נתרן נשאר עם מטען חיובי נטו וכלור עם מטען שלילי נטו, שיוצר את הקשר היוני. קשר מסוג זה בין מיליוני אטומי Na ו- Cl מוליד את המלח הפיזי. מכללת OpenStax / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

יש הרבה מסלולי דרכם שמקורם של יונים, אך בעיקרם רבים מבוססים על תגובה להפחתת חמצון. רוב התרכובות האי-אורגניות מורכבות מאלמנט מתכתי המלוכד באלמנט שאינו מתכתי (אלה שבבלוק ה- p של הטבלה המחזורית).

המתכת חייבת להתחמצן, לאבד אלקטרונים, כדי להפוך לקטיון. מצד שני, האלמנט הלא-מתכתי מצטמצם, צובר אלקטרונים אלה והופך להיות אניון. התמונה הבאה ממחישה נקודה זו ליצירת NaCl מאטומי נתרן וכלור:

היווצרות קשר יוני. מקור: Shafei בוויקיפדיה הערבית / רשות הרבים

אטום Na תורם אחד של האלקטרונים הערכיים שלה Cl כאשר הפצה זו של אלקטרונים מתרחשת, Na. ⁺ ו Cl ^- יונים נוצרים , אשר מתחילה למשוך אחד את השני מייד אלקטרוסטטי.

לפיכך נאמר כי Na ⁺ ו- Cl ^- אינם חולקים אף זוג אלקטרונים, בשונה ממה שצפוי לקשר קוולנטי Na-Cl היפותטי.

מאפייני קשר איוני

הקשר היוני אינו כיווני, כלומר כוחו אינו קיים בכיוון אחד, אלא מתפשט בחלל כפונקציה של המרחקים המפרידים בין היונים. עובדה זו חשובה, מכיוון שמשמעותה שהיונים קשורים חזק, מה שמסביר כמה מהתכונות הפיזיקליות של מוצקים יוניים.

נקודת המסה

הקשר היוני אחראי לכך שהמלח נמס בטמפרטורה של 801 מעלות צלזיוס. טמפרטורה זו גבוהה במידה ניכרת בהשוואה לנקודות ההתכה של מתכות שונות.

הסיבה לכך היא ש- NaCl חייבת לספוג מספיק חום כדי שהיונים שלה יתחילו לזרום בחופשיות מהגבישים שלה; כלומר, אטרקציות בין Na ⁺ ו- Cl ^- יש להתגבר .

נקודת רתיחה

נקודות ההיתוך והרתיחה של תרכובות יוניות גבוהות במיוחד בגלל האינטראקציות האלקטרוסטטיות החזקות שלהן: ההדבקה היונית שלהן. עם זאת, מכיוון שקישור זה כרוך ביונים רבים, התנהגות זו בדרך כלל מיוחסת למדי לכוחות intermolecular, ולא כראוי לקשר יוני.

במקרה של מלח, ברגע שה- NaCl נמס, מתקבל נוזל המורכב מאותם יוני ראשוניים; רק עכשיו הם נעים בצורה חופשית יותר. הקשר היוני עדיין קיים. יוני Na ⁺ ו- Cl ^- נפגשים על פני הנוזל כדי ליצור מתח פנים גבוה, המונע את הימלטות של היונים לשלב הגז.

לכן, המלח המותך צריך להעלות את הטמפרטורה שלו עוד יותר עד לרתיחה. נקודת הרתיחה של NaCl היא 1465 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו החום עולה על האטרקציות שבין Na ⁺ ו- Cl ^- בנוזל, כך שאדי NaCl מתחילים להיווצר בלחץ השווה לאטמוספרי.

אלקטרונגטיביות

קודם נאמר כי הקשר היוני נוצר בין אלמנט מתכתי לאלמנט שאינו מתכתי. בקיצור: בין מתכת למתכת. זה בדרך כלל כך לגבי תרכובות יוניות אורגניות; במיוחד כאלה מהסוג הבינארי, כמו NaCl.

כדי שחלוקה של אלקטרונים (Na ⁺ Cl ^- ) תתרחש ולא תהיה שיתוף (Na-Cl), חייב להיות הבדל גדול ביחס האלקטרוניטיבי בין שני האטומים. אחרת, לא יהיה קשר יוני בין שניהם. יתכן שהנא והקל מתקרבים זה לזה, מתקשרים זה עם זה, אבל מייד Cl, בגלל האלקטרוניטיביות הגבוהה יותר, "לוקח" אלקטרון מנא.

עם זאת, תרחיש זה חל רק על תרכובות בינאריות, MX, כמו NaCl. לגבי מלחים או תרכובות יוניות אחרות, תהליכי היווצרותם מורכבים יותר ולא ניתן לגשת אליהם מנקודת מבט אטומית או מולקולרית בלבד.

סוגים

אין סוגים שונים של קשרים יוניים, מכיוון שהתופעה האלקטרוסטטית היא פיזית גרידא, ומשנה רק את האופן שבו היונים פועלים ביניהם, או את מספר האטומים שהם מחזיקים בהם; כלומר אם הם יוני מונומטיים או פוליטומיים. באופן דומה, כל יסוד או תרכובת מקורם של יון אופייני המגדיר את אופי התרכובת.

בסעיף הדוגמאות נעמיק בנקודה זו ונראה כי הקשר היוני זהה במהותו בכל התרכובות. כאשר לא מתקיימים זאת נאמר כי לקשר היוני יש אופי קוולנטי מסוים, וזה המקרה של מלחי מתכות מעבר רבים, שבהם האניונים מתואמים עם הקטיונים; לדוגמה, FeCl ₃ (Fe ³⁺ -Cl ^- ).

דוגמאות לקשרים יוניים

להלן מספר תרכובות יוניות, והיונים והפרופורציות שלהם יודגשו:

- מגנזיום כלוריד

MgCl ₂ , (Mg ²⁺ Cl ^- ), ביחס 1: 2 (Mg ²⁺ : 2 Cl ^- )

- אשלגן פלואוריד

KF, (K ⁺ F ^- ), ביחס 1: 1 (K ⁺ : F ^- )

- נתרן גופרתי

Na ₂ S, (Na ⁺ S ^2- ), ביחס 2: 1 (2Na ⁺ : S ^2- )

- ליטו הידרוקסיד

LiOH, (Li ⁺ OH ^- ), ביחס 1: 1 (Li ⁺ : OH ^- )

- סידן פלואוריד

CaF ₂ , (Ca ²⁺ F ^- ), ביחס 1: 2 (Ca ²⁺ : 2F ^- )

- נתרן קרבונט

Na ₂ CO ₃ , (Na ⁺ CO ₃ ^2- ), ביחס 2: 1 (2Na ⁺ : CO ₃ ^2- )

- סידן פחמתי

CaCO ₃ , (Ca ²⁺ CO ₃ ^2- ), ביחס 1: 1 (Ca ²⁺ : CO ₃ ^2- )

- אשלגן permanganate

KMnO ₄ , (K ⁺ MnO ₄ ^- ), ביחס 1: 1 (K ⁺ : MnO ₄ ^- )

- סולפט נחושת

CuSO ₄ , (Cu ²⁺ SO ₄ ^2- ), ביחס 1: 1 (Cu ²⁺ : SO ₄ ^2- )

- בריום הידרוקסיד

Ba (OH) ₂ , (Ba ²⁺ OH ^- ), ביחס 1: 2 (Ba ²⁺ : OH ^- )

- ברומיד אלומיניום

AlBr ₃ , (Al ³⁺ Br ^- ), ביחס 1: 3 (Al ³⁺ : 3Br ^- )

- תחמוצת ברזל (III)

Fe ₂ O ₃ , (Fe ³⁺ O ^2- ), ביחס 2: 3 (2Fe ³⁺ : 3O ^2- )

- תחמוצת סטרונציום

SrO, (Sr ²⁺ O ^2- ), ביחס 1: 1 (Sr ²⁺ : O ^2- )

- כלוריד כסוף

AgCl, (Ag ⁺ Cl ^- ), ביחס 1: 1 (Ag ⁺ : Cl ^- )

- אחרים

-CH ₃ COONa, (CH ₃ COO ^- Na ⁺ ), ביחס 1: 1 (CH ₃ COO ^- : Na ⁺ )

- NH ₄ I, (NH ₄ ⁺ I ^- ), ביחס 1: 1 (NH ₄ ⁺ : I ^- )

לכל אחד מהתרכובות הללו קשר יוני שבו מיליוני יונים, המתאימים לנוסחאות הכימיות שלהם, נמשכים אלקטרוסטסטיים ויוצרים מוצק. ככל שעוצמת המטענים היוניים שלה גדולה יותר, כך האטרקציות וההדחות האלקטרוסטטיות חזקות יותר.

לפיכך, קשר יוני נוטה להיות חזק ככל שגוברים המטענים על היונים המרכיבים את המתחם.

תרגילים שנפתרו

להלן כמה תרגילים המפעילים את הידע הבסיסי של מליטה יונית.

- תרגיל 1

איזה מהתרכובות הבאות הוא יוני? האפשרויות הן: HF, H ₂ O, NaH, H ₂ S, NH ₃ ו- MgO.

על תרכובת יונית בהגדרה להיות קשר יוני. ככל שההבדל האלקטרוניטיבי בין האלמנטים המרכיבים שלו גדול יותר, כך גדל האופי היוני של הקשר האמור.

לכן האופציות שאין בהן אלמנט מתכתי נשללות באופן עקרוני: HF, H ₂ O, H ₂ S ו- NH ₃ . כל התרכובות הללו מורכבות רק מאלמנטים לא מתכתיים. הקטיון NH ₄ ⁺ הוא חריג לכלל זה, מכיוון שאין בו מתכות.

האפשרויות הנותרות הן NaH ו- MgO, בהן המתכות Na ו- Mg, בהתאמה, מחוברות לאלמנטים לא מתכתיים. NaH (Na ⁺ H ^- ) ו- MgO (Mg ²⁺ O ^2- ) הם תרכובות יוניות.

- תרגיל 2

שקול את התרכובת ההיפותטית הבאה: Ag (NH ₄ ) ₂ CO ₃ I. מהם היונים שלו ובאיזו מידה הם נמצאים במוצק?

פירוק המתחם ליונים שלו יש לנו: Ag ⁺ , NH ₄ ⁺ , CO ₃ ^2- ו- I ^- . אלה מחוברים אלקטרוסטטית בעקבות היחס 1: 2: 1: 1 (Ag ⁺ : 2NH ₄ ⁺ : CO ₃ ^2- : I ^- ). אמצעי זה שכמות NH ₄ ⁺ קטיונים הוא כפול מזה של Ag ⁺ , CO ₃ ^2- ואני ^- יונים .

- תרגיל 3

KBr מורכב מ- K ⁺ ו- Br ^- יוני , בעוצמה של מטען. ואז, CaS מחזיקה ביונים Ca ²⁺ ו- S ^2- , עם מטענים בעלי גודל כפול, כך שניתן היה לחשוב כי הקשר היוני ב- CaS חזק יותר מאשר ב- KBr; וגם חזק יותר מ- Na ₂ SO ₄ , מכיוון שהאחרון מורכב מ- Na ⁺ ו- SO ₄ ^2- יוני .

גם ל- CaS וגם ל- CuO יש קשר יוני חזק לא פחות, מכיוון ששניהם מכילים יונים בעלי מטעני גודל כפולים. בשלב הבא, יש לנו AlPO ₄ , עם Al ³⁺ ו- PO ₄ ^3- יוני . ליונים אלה מטענים בעוצמה משולשת, ולכן הקשר היוני ב- AlPO ₄ צריך להיות חזק יותר מכל האפשרויות הקודמות.

ולבסוף, יש לנו את המנצח Pb ₃ P ₄ , כי אם אנו מניחים שהוא מורכב מיונים, אלה הופכים ל- Pb ⁴⁺ ו- P ^3- . המטענים שלהם בעלי הגודל הגבוה ביותר; ולכן, Pb ₃ P ₄ היא התרכובת כי כנראה יש את הקשר היוני החזק.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
2. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
3. ויקיפדיה. (2020). קשר יוני. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (11 בפברואר 2020). איגרות חוב יוניות לעומת קוולנטיות - הבינו את ההבדל. התאושש מ: thoughtco.com
5. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (31 בינואר 2020). קשר איוני. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
6. מילון כימיקול. (2017). הגדרה של מליטה איונית. התאושש מ: chemicool.com