Indledende kemi

I almindelige kemiske reaktioner forbliver kernen af hvert atom (og dermed grundstoffets identitet) uændret. Elektroner kan imidlertid tilføjes til atomer ved overførsel fra andre atomer, tabes ved overførsel til andre atomer eller deles med andre atomer. Overførsel og deling af elektroner mellem atomerne er afgørende for grundstoffernes kemi. Under dannelsen af nogle forbindelser får eller mister atomerne elektroner og danner elektrisk ladede partikler kaldet ioner (figur 1).

Figur 1. (a) Et natriumatom (Na) har lige mange protoner og elektroner (11) og er uladet. (b) En natriumkation (Na+) har mistet en elektron, så den har en proton mere (11) end elektroner (10), hvilket giver den en samlet positiv ladning, der er angivet med et overskrevet plustegn.

Du kan bruge det periodiske system til at forudsige, om et atom vil danne en anion eller en kation, og du kan ofte forudsige ladningen af den resulterende ion. Atomer af mange metaller i hovedgruppen mister nok elektroner til at efterlade dem med det samme antal elektroner som et atom af den foregående ædelgas. Et atom af et alkalimetal (gruppe 1) mister en elektron og danner en kation med en 1+ ladning; et alkalisk jordmetal (gruppe 2) mister to elektroner og danner en kation med en 2+ ladning osv. Et neutralt calciumatom med 20 protoner og 20 elektroner taber f.eks. let to elektroner. Dette resulterer i en kation med 20 protoner, 18 elektroner og en 2+ ladning. Den har det samme antal elektroner som atomer af den foregående ædelgas, argon, og symboliseres Ca2+. Navnet på en metalion er det samme som navnet på det metalatom, som den dannes af, så Ca2+ kaldes en calciumion.

Når atomer af ikke-metalelementer danner ioner, får de som regel nok elektroner til at give dem det samme antal elektroner som et atom af den næste ædelgas i det periodiske system. Atomer i gruppe 17 får én elektron og danner anioner med en 1-ladning; atomer i gruppe 16 får to elektroner og danner ioner med en 2-ladning osv. F.eks. kan det neutrale bromatom, der har 35 protoner og 35 elektroner, få en elektron, så det får 36 elektroner. Dette resulterer i en anion med 35 protoner, 36 elektroner og en 1-ladning. Den har det samme antal elektroner som atomer af den næste ædelgas, krypton, og symboliseres Br-. (En diskussion af den teori, der understøtter den foretrukne status for ædelgassens elektronantal, som afspejles i disse forudsigelsesregler for iondannelse, findes i et senere kapitel i denne tekst.)

Bemærk det periodiske systems anvendelighed ved forudsigelse af sandsynlig iondannelse og ladning (figur 2). Hvis man bevæger sig fra yderst til venstre til højre i det periodiske system, har hovedgruppeelementer en tendens til at danne kationer med en ladning, der er lig med gruppetallet. Det vil sige, at gruppe 1-elementer danner 1+-ioner, gruppe 2-elementer danner 2+-ioner og så videre. Hvis man bevæger sig fra det yderste højre til venstre i det periodiske system, danner grundstofferne ofte anioner med en negativ ladning, der er lig med det antal grupper, der er flyttet til venstre fra ædelgasserne. F.eks. danner grundstoffer i gruppe 17 (én gruppe til venstre for ædelgasserne) 1-ioner; grundstoffer i gruppe 16 (to grupper til venstre) danner 2-ioner osv. Denne tendens kan bruges som en rettesnor i mange tilfælde, men dens forudsigelsesværdi aftager, når man bevæger sig mod midten af det periodiske system. Faktisk udviser overgangsmetaller og nogle andre metaller ofte variable ladninger, som ikke kan forudsiges ud fra deres placering i det periodiske system. For eksempel kan kobber danne ioner med en 1+ eller 2+ ladning, og jern kan danne ioner med en 2+ eller 3+ ladning.

Figur 2. Nogle grundstoffer udviser et regelmæssigt mønster af ionisk ladning, når de danner ioner.

Naturen af de tiltrækkende kræfter, der holder atomer eller ioner sammen i en forbindelse, er grundlaget for klassificering af kemisk binding. Når elektroner overføres og ioner dannes, opstår der ioniske bindinger. Ioniske bindinger er elektrostatiske tiltrækningskræfter, dvs. de tiltrækningskræfter, der opleves mellem objekter med modsat elektrisk ladning (i dette tilfælde kationer og anioner). Når elektroner “deles”, og der dannes molekyler, opstår der kovalente bindinger. Kovalente bindinger er de tiltrækkende kræfter mellem de positivt ladede atomkerner i de bundne atomer og et eller flere elektronpar, der befinder sig mellem atomerne. Forbindelser klassificeres som ioniske eller molekylære (kovalente) på grundlag af de bindinger, der er til stede i dem.

Ioniske forbindelser

Når et grundstof, der består af atomer, der let mister elektroner (et metal), reagerer med et grundstof, der består af atomer, der let får elektroner (et ikke-metal), sker der normalt en overførsel af elektroner, hvorved der dannes ioner. Den forbindelse, der dannes ved denne overførsel, stabiliseres af de elektrostatiske tiltrækninger (ioniske bindinger) mellem de ioner med modsat ladning, der er til stede i forbindelsen. Når f.eks. hvert natriumatom i en prøve af natriummetal (gruppe 1) afgiver en elektron for at danne en natriumkation, Na+, og hvert kloratom i en prøve af klorgas (gruppe 17) afgiver en elektron for at danne en klorid-anion, Cl-, består den resulterende forbindelse, NaCl, af natrium- og klorid-ioner i forholdet en Na+-ion for hver Cl-ion. På samme måde kan hvert calciumatom (gruppe 2) afgive to elektroner og overføre en til hvert af de to kloratomer for at danne CaCl2, som består af Ca2+- og Cl-ioner i forholdet én Ca2+-ion til to Cl-ioner.

En forbindelse, der indeholder ioner og holdes sammen af ioniske bindinger, kaldes en ionisk forbindelse. Det periodiske system kan hjælpe os med at genkende mange af de forbindelser, der er ionforbindelser: Når et metal er kombineret med et eller flere ikke-metaller, er forbindelsen normalt ionisk. Denne retningslinje fungerer godt til at forudsige dannelsen af ioniske forbindelser for de fleste af de forbindelser, som man typisk støder på i et indledende kemikursus. Den er dog ikke altid sand (f.eks. er aluminiumklorid, AlCl3, ikke ionisk).

Du kan ofte genkende ioniske forbindelser på grund af deres egenskaber. Ioniske forbindelser er faste stoffer, der typisk smelter ved høje temperaturer og koger ved endnu højere temperaturer. F.eks. smelter natriumchlorid ved 801 °C og koger ved 1413 °C. (Til sammenligning smelter den molekylære forbindelse vand ved 0 °C og koger ved 100 °C). I fast form er en ionisk forbindelse ikke elektrisk ledende, fordi dens ioner ikke kan strømme (“elektricitet” er strømmen af ladede partikler). Når den er smeltet, kan den imidlertid lede elektricitet, fordi dens ioner er i stand til at bevæge sig frit gennem væsken (figur 3).

Figur 3. Natriumchlorid smelter ved 801 °C og er elektrisk ledende, når det er smeltet. (credit: modifikation af arbejde af Mark Blaser og Matt Evans)

Molekylære forbindelser

Mange forbindelser indeholder ikke ioner, men består i stedet udelukkende af diskrete, neutrale molekyler. Disse molekylære forbindelser (kovalente forbindelser) opstår, når atomer deler elektroner i stedet for at overføre (vinde eller miste) elektroner. Kovalente bindinger er et vigtigt og omfattende begreb i kemi, og det vil blive behandlet meget detaljeret i et senere kapitel i denne tekst. Vi kan ofte identificere molekylforbindelser på grundlag af deres fysiske egenskaber. Under normale forhold eksisterer molekylforbindelser ofte som gasser, lavtkogende væsker og lavtsmeltende faste stoffer, selv om der findes mange vigtige undtagelser.

Mens ionforbindelser normalt dannes, når et metal og et ikke-metal kombineres, dannes kovalente forbindelser normalt ved en kombination af ikke-metaller. Det periodiske system kan således hjælpe os med at genkende mange af de forbindelser, der er kovalente. Selv om vi kan bruge positionerne af en forbindelses grundstoffer i det periodiske system til at forudsige, om den er ionisk eller kovalent på dette tidspunkt i vores studier af kemi, skal du være opmærksom på, at dette er en meget forenklet tilgang, der ikke tager højde for en række interessante undtagelser. Der findes gråtoner mellem ioniske og molekylære forbindelser, og du vil lære mere om dem senere.

Glossar

kovalent binding: tiltrækningskraft mellem atomkerner i et molekyls atomkerner og elektronpar mellem atomerne

kovalent forbindelse: (også molekylforbindelse) sammensat af molekyler, der er dannet af atomer fra to eller flere forskellige grundstoffer

ionisk binding: elektrostatisk tiltrækningskraft mellem de modsat ladede ioner i en ionisk forbindelse

ionisk forbindelse: forbindelse sammensat af kationer og anioner, der er kombineret i forhold, hvilket giver et elektrisk neutralt stof

molekylær forbindelse: (også kovalent forbindelse) sammensat af molekyler, der består af atomer fra to eller flere forskellige grundstoffer

monatomær ion: ion, der består af et enkelt atom