'
Articles

Introductory Chemistry

author
9 minutes, 42 seconds Read

Learning Objectives

Tämän jakson lopussa osaat:

  • Määritellä ioniset ja molekyyliset (kovalenttiset) yhdisteet
  • Ennustaa alkuaineista muodostuvan yhdisteen tyyppi niiden sijainnin perusteella jaksollisessa järjestelmässä

Tavanomaisissa kemiallisissa reaktioissa kunkin atomin ydin (ja siten alkuaineen identiteetti) pysyy muuttumattomana. Elektroneita voidaan kuitenkin lisätä atomeihin siirtymällä toisista atomeista, menettää siirtymällä muihin atomeihin tai jakaa muiden atomien kanssa. Elektronien siirtäminen ja jakaminen atomien välillä määrää alkuaineiden kemian. Joidenkin yhdisteiden muodostuessa atomit saavat tai menettävät elektroneja ja muodostavat sähköisesti varattuja hiukkasia, joita kutsutaan ioneiksi (kuva 1).

Kuva 1. (a) Natriumatomilla (Na) on yhtä monta protonia ja elektronia (11) ja se on varaukseton. (b) Natriumkationi (Na+) on menettänyt elektronin, joten sillä on yksi protoni (11) enemmän kuin elektroneja (10), mikä antaa sille positiivisen kokonaisvarauksen, joka on merkitty ylempänä olevalla plus-merkillä.

Jaksollisen järjestelmän avulla voi ennustaa, muodostaako jokin atomi anionin vai kationin, ja usein voi myös ennustaa tuloksena syntyvän ionin varauksen. Monien pääryhmän metallien atomit menettävät niin paljon elektroneja, että niillä on sama määrä elektroneja kuin edeltävän jalokaasun atomilla. Esimerkkinä mainittakoon, että alkalimetallin (ryhmä 1) atomi menettää yhden elektronin ja muodostaa kationin, jolla on 1+ -varaus; maa-alkalimetalli (ryhmä 2) menettää kaksi elektronia ja muodostaa kationin, jolla on 2+ -varaus, ja niin edelleen. Esimerkiksi neutraali kalsiumatomi, jolla on 20 protonia ja 20 elektronia, menettää helposti kaksi elektronia. Näin syntyy kationi, jolla on 20 protonia, 18 elektronia ja 2+ -varaus. Sillä on sama määrä elektroneja kuin edellisen jalokaasun, argonin, atomeilla, ja sen symboli on Ca2+. Metalli-ionin nimi on sama kuin sen metalliatomin nimi, josta se muodostuu, joten Ca2+:sta käytetään nimitystä kalsiumioni.

Kun muiden alkuaineiden kuin metallien atomit muodostavat ioneja, ne saavat yleensä niin paljon elektroneja, että niillä on sama määrä elektroneja kuin jaksollisen järjestelmän seuraavan jalokaasun atomilla. Ryhmän 17 atomit saavat yhden elektronin ja muodostavat anioneja, joilla on 1-varaus; ryhmän 16 atomit saavat kaksi elektronia ja muodostavat ioneita, joilla on 2-varaus, ja niin edelleen. Esimerkiksi neutraali bromiatomi, jolla on 35 protonia ja 35 elektronia, voi saada yhden elektronin, jolloin sillä on 36 elektronia. Tällöin muodostuu anioni, jolla on 35 protonia, 36 elektronia ja 1-varaus. Sillä on sama määrä elektroneja kuin seuraavan jalokaasun, kryptonin, atomeilla, ja sen symboli on Br-. (Keskustelu teoriasta, joka tukee jalokaasujen elektronilukujen suosittua asemaa, joka näkyy näissä ionien muodostumista ennakoivissa säännöissä, esitetään tämän tekstin myöhemmässä luvussa.)

Huomaa jaksollisen järjestelmän hyödyllisyys ionien todennäköisen muodostumisen ja varauksen ennustamisessa (kuva 2). Siirryttäessä jaksollisessa järjestelmässä äärivasemmalta oikealle pääryhmän alkuaineet pyrkivät muodostamaan kationeja, joiden varaus on yhtä suuri kuin ryhmän numero. Toisin sanoen ryhmän 1 alkuaineet muodostavat 1+-ioneja, ryhmän 2 alkuaineet 2+-ioneja ja niin edelleen. Siirryttäessä jaksollisen järjestelmän äärioikealta vasemmalle alkuaineet muodostavat usein anioneja, joiden negatiivinen varaus on yhtä suuri kuin jalokaasuista vasemmalle siirrettyjen ryhmien lukumäärä. Esimerkiksi ryhmän 17 alkuaineet (yksi ryhmä jalokaasuista vasemmalle) muodostavat 1-ioneja; ryhmän 16 alkuaineet (kaksi ryhmää vasemmalle) muodostavat 2-ioneja ja niin edelleen. Tätä suuntausta voidaan käyttää ohjeena monissa tapauksissa, mutta sen ennustearvo pienenee, kun siirrytään kohti jaksollisen järjestelmän keskiosaa. Siirtymämetalleilla ja joillakin muilla metalleilla on usein vaihtelevia varauksia, joita ei voida ennustaa niiden sijainnin perusteella taulukossa. Esimerkiksi kupari voi muodostaa ioneja, joilla on 1+- tai 2+ -varaus, ja rauta voi muodostaa ioneja, joilla on 2+- tai 3+ -varaus.

Kuva 2. Joillakin alkuaineilla on säännöllinen ionivarauksen malli, kun ne muodostavat ioneja.

Esimerkki 1: Ionien koostumus

Joissain antiperspirantteina käytetyissä yhdisteissä esiintyvässä ionissa on 13 protonia ja 10 elektronia. Mikä on sen symboli?

Näytä vastaus

Koska protonien lukumäärä pysyy muuttumattomana, kun atomi muodostaa ionin, alkuaineen järjestysluvun on oltava 13. Kun tiedämme tämän, voimme käyttää jaksollista järjestelmää tunnistaaksemme alkuaineen nimellä Al (alumiini). Al-atomi on menettänyt kolme elektronia, joten sillä on kolme positiivista varausta (13) enemmän kuin sillä on elektroneja (10). Tämä on alumiinikationi, Al3+.

Tarkista oppimasi

Anna symboli ja nimi ionille, jolla on 34 protonia ja 36 elektronia.

Näytä vastaus

Se2-, selenidi-ioni

Esimerkki 2: Ionien muodostuminen

Magnesium ja typpi reagoivat muodostaen ionisen yhdisteen. Ennusta, mikä muodostaa anionin, mikä muodostaa kationin, ja kunkin ionin varaukset. Kirjoita kunkin ionin symboli ja nimeä ne.

Näytä vastaus

Magnesiumin asema jaksollisessa järjestelmässä (ryhmä 2) kertoo, että se on metalli. Metallit muodostavat positiivisia ioneja (kationeja). Magnesiumatomin on menetettävä kaksi elektronia, jotta sillä olisi yhtä monta elektronia kuin edellisen jalokaasun, neonin, atomilla. Näin ollen magnesiumatomi muodostaa kationin, jossa on kaksi elektronia vähemmän kuin protoneja ja jonka varaus on 2+. Ionin symboli on Mg2+, ja sitä kutsutaan magnesiumioniksi.

Typen asema jaksollisessa järjestelmässä (ryhmä 15) paljastaa, että se on epämetalli. Ei-metallit muodostavat negatiivisia ioneja (anioneja). Typen atomin on saatava kolme elektronia, jotta sillä olisi sama määrä elektroneja kuin seuraavan jalokaasun, neonin, atomilla. Näin ollen typpiatomi muodostaa anionin, jossa on kolme elektronia enemmän kuin protoneja ja jonka varaus on 3-. Ionin symboli on N3-, ja sitä kutsutaan nitridi-ioniksi.

Tarkista oppimasi

Alumiini ja hiili reagoivat muodostaen ionisen yhdisteen. Ennusta, kumpi muodostaa anionin, kumpi muodostaa kationin, ja kunkin ionin varaukset. Kirjoita kunkin ionin symboli ja nimeä ne.

Näytä vastaus

Al muodostaa kationin, jonka varaus on 3+: Al3+, alumiini-ioni. Hiili muodostaa anionin, jonka varaus on 4-: C4-, karbidi-ioni.

Kemiallisen sidoksen luokittelun perustana on niiden vetovoimien luonne, jotka pitävät atomeja tai ioneja yhdessä yhdisteessä. Kun elektronit siirtyvät ja ionit muodostuvat, syntyy ionisidoksia. Ionisidokset ovat sähköstaattisia vetovoimia eli vetovoimia, joita esiintyy vastakkaisen sähkövarauksen omaavien kohteiden (tässä tapauksessa kationien ja anionien) välillä. Kun elektronit ”jaetaan” ja muodostuu molekyylejä, syntyy kovalenttisia sidoksia. Kovalenttiset sidokset ovat sidosatomien positiivisesti varautuneiden ytimien ja yhden tai useamman atomien välissä olevan elektroniparin välisiä vetovoimia. Yhdisteet luokitellaan niissä esiintyvien sidosten perusteella ionisiksi tai molekyylisiksi (kovalenttisiksi).

Ioniset yhdisteet

Kun alkuaine, joka koostuu helposti elektroneja menettävistä atomeista (metalli), reagoi alkuaineen kanssa, joka koostuu helposti elektroneja saavista atomeista (ei-metalli), tapahtuu tavallisesti elektronien siirtyminen, jolloin syntyy ioneja. Tällä siirrolla muodostunut yhdiste stabiloituu yhdisteessä olevien vastakkaisen varauksen omaavien ionien välisen sähköstaattisen vetovoiman (ionisidosten) ansiosta. Esimerkiksi kun jokainen natriumatomi näytteessä olevasta natriummetallista (ryhmä 1) luovuttaa yhden elektronin muodostaen natriumkationin Na+ ja jokainen klooriatomi näytteessä olevasta kloorikaasusta (ryhmä 17) ottaa yhden elektronin muodostaen kloridi-anionin Cl-, syntyvä yhdiste NaCl koostuu natriumioneista ja kloridi-ioneista suhteessa yksi Na+-ioni kutakin Cl-ionia kohti. Vastaavasti jokainen kalsiumatomi (ryhmä 2) voi luovuttaa kaksi elektronia ja siirtää yhden kummallekin kahdelle klooriatomille muodostaen CaCl2:n, joka koostuu Ca2+- ja Cl-ioneista suhteessa yksi Ca2+-ioni kahta Cl-ionia kohti.

Yhdistettä, joka sisältää ioneja ja joka pysyy koossa ionisidosten avulla, kutsutaan ioniseksi yhdisteeksi. Jaksollisen järjestelmän avulla voidaan tunnistaa monia ionisia yhdisteitä: Kun metalli yhdistetään yhden tai useamman epämetallin kanssa, yhdiste on yleensä ioninen. Tämä ohje toimii hyvin ionisten yhdisteiden muodostumisen ennustamisessa useimpien kemian johdantokurssilla tyypillisesti esiintyvien yhdisteiden osalta. Se ei kuitenkaan aina pidä paikkaansa (esimerkiksi alumiinikloridi, AlCl3, ei ole ioninen).

Ioniset yhdisteet voi usein tunnistaa niiden ominaisuuksien perusteella. Ioniset yhdisteet ovat kiinteitä aineita, jotka tyypillisesti sulavat korkeissa lämpötiloissa ja kiehuvat vielä korkeammissa lämpötiloissa. Esimerkiksi natriumkloridi sulaa 801 °C:ssa ja kiehuu 1413 °C:ssa. (Vertailun vuoksi molekyyliyhdiste vesi sulaa 0 °C:ssa ja kiehuu 100 °C:ssa.) Kiinteässä muodossa ioninen yhdiste ei ole sähköä johtava, koska sen ionit eivät pysty virtaamaan (”sähkö” on varattujen hiukkasten virtausta). Sulana se voi kuitenkin johtaa sähköä, koska sen ionit voivat liikkua vapaasti nesteessä (kuva 3).

Kuva 3. Natriumkloridi sulaa 801 °C:ssa ja johtaa sähköä sulana. (luotto: Mark Blaserin ja Matt Evansin työn muokkaus)

Katso tämä video nähdäksesi, kuinka suolaseos sulaa ja johtaa sähköä.

Molekyyliyhdisteet

Monissa yhdisteissä ei ole ioneja, vaan ne koostuvat pelkästään erillisistä, neutraaleista molekyyleistä. Nämä molekyyliyhdisteet (kovalenttiset yhdisteet) syntyvät, kun atomit pikemminkin jakavat kuin siirtävät (saavat tai menettävät) elektroneja. Kovalenttinen sidos on tärkeä ja laaja käsite kemiassa, ja sitä käsitellään varsin yksityiskohtaisesti tämän tekstin myöhemmässä luvussa. Voimme usein tunnistaa molekyyliyhdisteet niiden fysikaalisten ominaisuuksien perusteella. Normaaliolosuhteissa molekyyliyhdisteet esiintyvät usein kaasuina, matalalla kiehuvina nesteinä ja matalalla sulavina kiinteinä aineina, joskin monia tärkeitä poikkeuksia on olemassa.

Mikäli ioniset yhdisteet muodostuvat tavallisesti metallin ja epämetallin yhdistyessä, kovalenttiset yhdisteet muodostuvat tavallisesti epämetallien yhdistyessä. Näin ollen jaksollinen järjestelmä voi auttaa meitä tunnistamaan monia kovalenttisia yhdisteitä. Vaikka voimme käyttää yhdisteen alkuaineiden sijaintia jaksollisessa järjestelmässä ennustamaan, onko yhdiste ioninen vai kovalenttinen tässä vaiheessa kemian opintojamme, sinun on syytä olla tietoinen siitä, että tämä on hyvin yksinkertaistettu lähestymistapa, joka ei ota huomioon useita mielenkiintoisia poikkeuksia. Ionisten ja molekyyliyhdisteiden välillä on harmaan sävyjä, ja niistä opit lisää myöhemmin.

Esimerkki 5: Yhdisteiden sidostyypin ennustaminen

Ennusta, ovatko seuraavat yhdisteet ionisia vai molekyylisiä:

  1. KI, yhdiste, jota käytetään jodin lähteenä ruokasuolassa
  2. H2O2, valkaisu- ja desinfiointiaine vetyperoksidi
  3. CHCl3, nukutusaine kloroformi
  4. Li2CO3, masennuslääkkeissä käytettävän litiumin lähde
Näytä vastaus

  1. Kalium (ryhmä 1) on metalli ja jodi (ryhmä 17) on epämetalli; KI:n ennustetaan olevan ioninen.
  2. Vety (ryhmä 1) on epämetalli ja happi (ryhmä 16) on epämetalli; H2O2 ennustetaan molekyyliseksi.
  3. Hiili (ryhmä 14) on epämetalli, vety (ryhmä 1) on epämetalli ja kloori (ryhmä 17) on epämetalli; CHCl3 ennustetaan molekyyliseksi.
  4. Lithium (ryhmä 1A) on metalli ja karbonaatti on moniatominen ioni; Li2CO3 ennustetaan ioniseksi.

Tarkista oppimasi

Ennusta jaksollisen järjestelmän avulla, ovatko seuraavat yhdisteet ionisia vai kovalenttisia:

  1. SO2
  2. CaF2
  3. N2H4
  4. Al2(SO4)3
Show Vastaus

  1. molekyylinen
  2. ioninen
  3. molekyylinen
  4. ioninen

Keskeiset käsitteet ja yhteenveto

Metalleilla (erityisesti ryhmiin 1 ja 2 kuuluvilla) on taipumus menettää sen verran elektroneja, että niillä olisi sama määrä elektroneja kuin jaksollisen järjestelmän edellisellä jalokaasulla. Näin muodostuu positiivisesti varautunut ioni. Vastaavasti epämetallit (erityisesti ryhmiin 16 ja 17 kuuluvat ja vähemmässä määrin ryhmään 15 kuuluvat) voivat saada tarvittavan määrän elektroneja, jotta atomeilla olisi sama määrä elektroneja kuin jaksollisen järjestelmän seuraavassa jalokaasussa. Näin ollen epämetalleilla on taipumus muodostaa negatiivisia ioneja. Positiivisesti varautuneita ioneja kutsutaan kationeiksi ja negatiivisesti varautuneita ioneja anioneiksi. Ionit voivat olla joko yksiatomisia (sisältävät vain yhden atomin) tai moniatomisia (sisältävät useamman kuin yhden atomin).

Ioneita sisältäviä yhdisteitä kutsutaan ioniyhdisteiksi. Ioniyhdisteet muodostuvat yleensä metalleista ja epämetalleista. Yhdisteitä, jotka eivät sisällä ioneja, vaan koostuvat molekyyleiksi tiukasti toisiinsa sitoutuneista atomeista (varauksettomat atomiryhmät, jotka käyttäytyvät yhtenä yksikkönä), kutsutaan kovalenttisiksi yhdisteiksi. Kovalenttiset yhdisteet muodostuvat yleensä kahdesta epämetallista.

Harjoituksia

  1. Ennusta jaksollisen järjestelmän avulla, ovatko seuraavat kloridit ionisia vai kovalenttisia:
  2. Käyttämällä jaksollista järjestelmää ennusta, ovatko seuraavat kloridit ionisia vai kovalenttisia:
  3. Ilmoita kunkin seuraavan yhdisteen osalta, onko se ioninen vai kovalenttinen. Jos se on ioninen, kirjoita mukana olevien ionien symbolit:
    1. NF3
    2. BaO,
    3. (NH4)2CO3
    4. Sr(H2PO4)2
    5. IBr
    6. Na2O
  • Jokaista seuraavista yhdisteistä, ilmoita, onko se ioninen vai kovalenttinen, ja jos se on ioninen, kirjoita mukana olevien ionien symbolit:
    1. KClO4
    2. MgC2H3O2
    3. H2S
    4. Ag2S
    5. N2Cl4
    6. Co(NO3)2
    • Näytä valitut vastaukset

    1. Ioninen: KCl, MgCl2; kovalenttinen: NCl3, ICl, PCl5, CCl4

    3. (a) kovalenttinen; (b) ioninen, Ba2+, O2-; (c) ioninen, {\text{NH}}}_{4}{}^{+}, {\text{CO}}_{3}{}^{2-}; (d) ioninen, Sr2+, {\text{H}}}_{2}{\text{PO}}_{4}{}^{-}; (e) kovalenttinen; (f) ioninen, Na+, O2-

    Sanasto

    kovalenttinen sidos: Molekyylin atomien ytimien ja atomien välisten elektroniparien välinen vetovoima

    kovalenttinen yhdiste: (myös molekyyliyhdiste) kahden tai useamman eri alkuaineen atomien muodostamista molekyyleistä koostuva yhdiste

    ionisidos: ioniyhdisteen vastakkaisesti varautuneiden ionien väliset sähköstaattiset vetovoimat

    ioniyhdiste: yhdiste, joka muodostuu kationeista ja anioneista, jotka ovat yhdistettyinä suhdeluvuilla ja joiden tuloksena on sähköisesti neutraali aine

    molekyyliyhdiste: (myös kovalenttinen yhdiste) kahden tai useamman eri alkuaineen atomien muodostamista molekyyleistä koostuva

    monatominen ioni: yhdestä atomista koostuva ioni

    .

    Similar Posts

    Vastaa

    Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.