Tanulmányi célok
A szakasz végére képes lesz arra, hogy:
- Az ionos és molekuláris (kovalens) vegyületek meghatározása
- Elemekből képződő vegyületek típusának megjóslása a periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján
A közönséges kémiai reakciókban az egyes atomok atommagja (és így az elem azonossága) változatlan marad. Az elektronok azonban hozzáadódhatnak az atomokhoz más atomokból való átadással, elveszíthetők más atomokba való átadással, vagy megoszthatók más atomokkal. Az elektronok atomok közötti átadása és megosztása határozza meg az elemek kémiáját. Egyes vegyületek képződése során az atomok elektronokat nyernek vagy veszítenek, és elektromosan töltött részecskéket, úgynevezett ionokat alkotnak (1. ábra).
1. ábra. (a) Egy nátriumatom (Na) egyenlő számú protonnal és elektronnal (11) rendelkezik, és töltés nélküli. (b) Egy nátrium-kation (Na+) elvesztett egy elektront, így eggyel több protonja (11) van, mint elektronja (10), ami összességében pozitív töltést ad neki, amit egy feliratos plusz jellel jelölünk.
A periódusos rendszer segítségével megjósolhatjuk, hogy egy atom aniont vagy kationt fog-e képezni, és gyakran a keletkező ion töltését is megjósolhatjuk. Sok főcsoportba tartozó fém atomja veszít annyi elektront, hogy ugyanannyi elektronja marad, mint az előző nemesgáz atomjának. Egy lúgos fém (1. csoport) atomja egy elektront veszít, és 1+ töltésű kationt képez; egy alkáliföldfém (2. csoport) két elektront veszít, és 2+ töltésű kationt képez, és így tovább. Például egy semleges kalciumatom, amelynek 20 protonja és 20 elektronja van, könnyen veszít két elektront. Ez egy 20 protonos, 18 elektronos és 2+ töltésű kationt eredményez. Ugyanannyi elektronja van, mint az előző nemesgáz, az argon atomjainak, és Ca2+ jelöli. A fémion neve megegyezik annak a fématomnak a nevével, amelyből képződik, így a Ca2+-t kalciumionnak nevezzük.
Amikor a nemfém elemek atomjai ionokat képeznek, általában annyi elektront nyernek, hogy ugyanannyi elektronjuk legyen, mint a periódusos rendszerben következő nemesgáz atomjának. A 17. csoport atomjai egy elektront nyernek és 1-es töltésű anionokat képeznek; a 16. csoport atomjai két elektront nyernek és 2-es töltésű ionokat képeznek, és így tovább. Például a semleges brómatom, amelynek 35 protonja és 35 elektronja van, egy elektront nyerhet, így 36 elektront kaphat. Ez egy aniont eredményez, amelynek 35 protonja, 36 elektronja és 1-es töltése van. Ugyanannyi elektronja van, mint a következő nemesgáz, a kripton atomjainak, és a jelképe Br-. (Az ionképződés ezen előrejelzési szabályaiban tükröződő nemesgáz-elektronszámok előnyben részesítését alátámasztó elméletet a szöveg egy későbbi fejezetében tárgyaljuk.)
Megjegyezzük a periódusos rendszer hasznosságát a valószínű ionképződés és töltés előrejelzésében (2. ábra). A periódusos rendszerben balról jobbra haladva a főcsoportba tartozó elemek hajlamosak olyan kationokat képezni, amelyek töltése megegyezik a csoportszámmal. Azaz az 1. csoport elemei 1+ ionokat, a 2. csoport elemei 2+ ionokat képeznek, és így tovább. A periódusos rendszerben jobbról balra haladva az elemek gyakran képeznek anionokat, amelyek negatív töltése megegyezik a nemesgázoktól balra áthelyezett csoportok számával. Például a 17. csoportba tartozó elemek (a nemesgázoktól egy csoportra balra) 1-ionokat képeznek; a 16. csoportba tartozó elemek (két csoportra balra) 2-ionokat képeznek, és így tovább. Ez a tendencia sok esetben irányadónak használható, de előrejelző értéke csökken, ha a periódusos rendszer közepe felé haladunk. Valójában az átmeneti fémek és néhány más fém gyakran olyan változó töltéseket mutatnak, amelyek nem jósolhatók meg a táblázatban elfoglalt helyük alapján. Például a réz 1+ vagy 2+ töltésű ionokat, a vas pedig 2+ vagy 3+ töltésű ionokat képezhet.
2. ábra. Egyes elemek szabályos iontöltésmintázatot mutatnak, amikor ionokat képeznek.
1. példa: Az ionok összetétele
Egy ion, amely egyes izzadásgátlóként használt vegyületekben található, 13 protont és 10 elektront tartalmaz. Mi a szimbóluma?
Check Your Learning
Adja meg a 34 protonnal és 36 elektronnal rendelkező ion jelét és nevét.
2. példa: Ionok képződése
Magnézium és nitrogén reakciójában ionos vegyület keletkezik. Jósold meg, melyik képez aniont, melyik kationt, és az egyes ionok töltéseit. Írja fel az egyes ionok szimbólumát és nevezze meg őket.
Check Your Learning
Az alumínium és a szén reakciójában ionos vegyület keletkezik. Jósold meg, melyik képez aniont, melyik kationt, és az egyes ionok töltéseit. Írja fel az egyes ionok szimbólumát és nevezze meg őket.
A kémiai kötés osztályozásának alapja az atomokat vagy ionokat egy vegyületben összetartó vonzóerők jellege. Az elektronok átadásakor és az ionok kialakulásakor ionos kötések keletkeznek. Az ionkötések elektrosztatikus vonzóerők, azaz az ellentétes elektromos töltésű objektumok (jelen esetben kationok és anionok) között fellépő vonzóerők. Amikor az elektronokat “megosztják” és molekulák alakulnak ki, kovalens kötések keletkeznek. A kovalens kötések a kötésben lévő atomok pozitív töltésű atommagjai és az atomok között elhelyezkedő egy vagy több elektronpár közötti vonzóerők. A vegyületeket a bennük lévő kötések alapján ionos vagy molekuláris (kovalens) vegyületekbe sorolják.
Ionos vegyületek
Amikor egy könnyen elektronokat vesztő atomokból álló elem (fém) reakcióba lép egy könnyen elektronokat nyerő atomokból álló elemmel (nemfém), általában elektronok átadása történik, és ionok keletkeznek. Az így keletkező vegyületet a vegyületben lévő ellentétes töltésű ionok közötti elektrosztatikus vonzások (ionos kötések) stabilizálják. Például, amikor egy nátriumfém mintában (1. csoport) minden egyes nátriumatom lead egy elektront, hogy nátriumkationt (Na+) képezzen, és egy klórgáz mintában (17. csoport) minden egyes klóratom felvesz egy elektront, hogy kloridaniont (Cl-) képezzen, a keletkező vegyület, NaCl, nátriumionokból és kloridionokból áll, olyan arányban, hogy minden Cl-ionra egy Na+ ion jut. Hasonlóképpen, minden kalciumatom (2. csoport) képes két elektront leadni és átadni egyet-egyet két klóratomnak, így CaCl2 keletkezik, amely Ca2+ és Cl- ionokból áll, egy Ca2+ ion és két Cl- ion arányában.
Az ionokat tartalmazó és ionos kötésekkel összetartott vegyületet ionos vegyületnek nevezzük. A periódusos rendszer segíthet felismerni számos ionos vegyületet: Amikor egy fém egy vagy több nemfémmel egyesül, a vegyület általában ionos. Ez az irányelv jól alkalmazható az ionos vegyületek kialakulásának előrejelzésére a legtöbb olyan vegyület esetében, amelyekkel tipikusan találkozunk egy bevezető kémia kurzuson. Ez azonban nem mindig igaz (például az alumínium-klorid, az AlCl3 nem ionos).
Az ionos vegyületeket gyakran felismerhetjük a tulajdonságaik alapján. Az ionos vegyületek olyan szilárd anyagok, amelyek jellemzően magas hőmérsékleten olvadnak, és még magasabb hőmérsékleten forrnak. Például a nátrium-klorid 801 °C-on olvad, és 1413 °C-on forr. (Összehasonlításképpen: a víz molekuláris vegyület 0 °C-on olvad meg és 100 °C-on forr). Szilárd formában egy ionos vegyület nem vezet elektromosan, mert ionjai nem képesek áramolni (“elektromosság” alatt a töltött részecskék áramlását értjük). Olvadt állapotban azonban képes vezetni az elektromosságot, mert ionjai szabadon mozoghatnak a folyadékban (3. ábra).
3. ábra. A nátrium-klorid 801 °C-on olvad, és olvadt állapotban vezeti az elektromosságot. (kredit: Mark Blaser és Matt Evans munkájának módosítása)
Nézze meg ezt a videót, hogy lássa, amint a sók keveréke megolvad és vezeti az elektromosságot.
Molekuláris vegyületek
Néhány vegyület nem tartalmaz ionokat, hanem kizárólag különálló, semleges molekulákból áll. Ezek a molekuláris vegyületek (kovalens vegyületek) akkor keletkeznek, amikor az atomok elektronokat osztanak meg, nem pedig átadnak (nyernek vagy veszítenek). A kovalens kötés fontos és átfogó fogalom a kémiában, és a szöveg egy későbbi fejezetében részletesen tárgyaljuk. A molekuláris vegyületeket gyakran fizikai tulajdonságaik alapján azonosíthatjuk. Normál körülmények között a molekuláris vegyületek gyakran gázok, alacsony forráspontú folyadékok és alacsony olvadáspontú szilárd anyagok formájában léteznek, bár számos fontos kivétel létezik.
Míg az ionos vegyületek általában egy fém és egy nemfém egyesülésével jönnek létre, addig a kovalens vegyületek általában nemfémek kombinációjával jönnek létre. Így a periódusos rendszer segíthet felismerni sok olyan vegyületet, amelyek kovalensek. Bár a kémia tanulmányozásának ezen a pontján egy vegyület elemeinek a periódusos rendszerben elfoglalt helyzete alapján megjósolhatjuk, hogy ionos vagy kovalens vegyületről van-e szó, tisztában kell lenned azzal, hogy ez egy nagyon leegyszerűsítő megközelítés, amely számos érdekes kivételt nem vesz figyelembe. Az ionos és a molekuláris vegyületek között léteznek szürkeárnyalatok, és ezekről később többet fogsz megtudni.
5. példa: A kötés típusának megjóslása a vegyületekben
Jósold meg, hogy a következő vegyületek ionosak vagy molekulárisak-e:
- KI, az asztali só jódforrásaként használt vegyület
- H2O2, a fehérítő- és fertőtlenítőszer hidrogén-peroxid
- CHCl3, az érzéstelenítő kloroform
- Li2CO3, az antidepresszánsokban használt lítium forrása
Check Your Learning
A periódusos rendszer segítségével jósolja meg, hogy a következő vegyületek ionos vagy kovalens vegyületek:
- SO2
- CaF2
- N2H4
- Al2(SO4)3
Főfogalmak és összefoglalás
A fémek (különösen az 1. és 2. csoportba tartozók) hajlamosak arra, hogy annyi elektront veszítsenek, hogy a periódusos rendszerben ugyanannyi elektronjuk maradjon, mint az előző nemesgáznak. Ezáltal pozitív töltésű ion keletkezik. Hasonlóképpen, a nemfémek (különösen a 16. és 17. csoportba tartozók, és kisebb mértékben a 15. csoportba tartozók) is nyerhetnek annyi elektront, hogy az atomok ugyanannyi elektronnal rendelkezzenek, mint a periódusos rendszerben a következő nemesgázban. Így a nemfémek hajlamosak negatív ionokat képezni. A pozitív töltésű ionokat kationoknak, a negatív töltésű ionokat pedig anionoknak nevezzük. Az ionok lehetnek egyatomosak (csak egy atomot tartalmaznak) vagy többatomosak (egynél több atomot tartalmaznak).
Az ionokat tartalmazó vegyületeket ionos vegyületeknek nevezzük. Az ionos vegyületek általában fémekből és nemfémekből képződnek. Azokat a vegyületeket, amelyek nem tartalmaznak ionokat, hanem molekulákba szorosan egymáshoz kötött atomokból állnak (töltés nélküli atomcsoportok, amelyek egyetlen egységként viselkednek), kovalens vegyületeknek nevezzük. A kovalens vegyületek általában két nemfémből keletkeznek.
Feladatok
- A periódusos rendszer segítségével jósolja meg, hogy a következő kloridok ionos vagy kovalens vegyületek:
- A periódusos rendszer segítségével jósolja meg, hogy a következő kloridok ionos vagy kovalens vegyületek-e: KCl, NCl3, ICl, MgCl2, PCl5 és CCl4.
- A periódusos rendszer segítségével jósolja meg, hogy a következő kloridok ionosak vagy kovalensek:
- Az alábbi vegyületek mindegyikéről mondja meg, hogy ionos vagy kovalens. Ha ionos, írja fel a benne lévő ionok szimbólumait:
- NF3
- BaO,
- (NH4)2CO3
- Sr(H2PO4)2
- IBr
- Na2O
- A következő vegyületek mindegyikére, jelölje meg, hogy ionos vagy kovalens, és ha ionos, írja fel a benne lévő ionok szimbólumait:
- KClO4
- MgC2H3O2
- H2S
- Ag2S
- N2Cl4
- Co(NO3)2
Glosszárium
kovalens kötés: Vonzóerő egy molekula atomjainak atommagjai és az atomok közötti elektronpárok között
kovalens vegyület: (molekuláris vegyület is) két vagy több különböző elem atomjaiból álló molekulákból álló vegyület
ionos kötés: az ionos vegyület ellentétes töltésű ionjai közötti elektrosztatikus vonzóerő
ionos vegyület: kationokból és anionokból arányosan kombinált vegyület, amely elektromosan semleges anyagot ad
molekuláris vegyület: (más néven kovalens vegyület) két vagy több különböző elem atomjaiból álló molekulák
monatomos ion: egyetlen atomból álló ion
.