Introduktionskemi

I vanliga kemiska reaktioner förblir varje atoms kärna (och därmed grundämnets identitet) oförändrad. Elektroner kan dock läggas till atomer genom överföring från andra atomer, förloras genom överföring till andra atomer eller delas med andra atomer. Överföring och delning av elektroner mellan atomer styr grundämnenas kemi. Under bildandet av vissa föreningar får eller förlorar atomer elektroner och bildar elektriskt laddade partiklar som kallas joner (figur 1).

Figur 1. (a) En natriumatom (Na) har lika många protoner och elektroner (11) och är oladdad. (b) En natriumkatjon (Na+) har förlorat en elektron, så den har en proton (11) mer än elektroner (10), vilket ger den en övergripande positiv laddning, som betecknas med ett överskrivet plustecken.

Du kan använda det periodiska systemet för att förutsäga om en atom kommer att bilda en anjon eller en katjon, och du kan ofta förutsäga laddningen hos den resulterande jonen. Atomer i många metaller i huvudgruppen förlorar tillräckligt många elektroner för att de ska ha samma antal elektroner som en atom av den föregående ädelgasen. Till exempel förlorar en atom av en alkalimetall (grupp 1) en elektron och bildar en katjon med en laddning på 1+; en alkalisk jordartsmetall (grupp 2) förlorar två elektroner och bildar en katjon med en laddning på 2+, och så vidare. En neutral kalciumatom med 20 protoner och 20 elektroner förlorar till exempel lätt två elektroner. Detta resulterar i en katjon med 20 protoner, 18 elektroner och en 2+ laddning. Den har samma antal elektroner som atomer av den föregående ädelgasen argon och symboliseras Ca2+. Namnet på en metalljon är detsamma som namnet på den metallatom från vilken den bildas, så Ca2+ kallas kalciumjon.

När atomer från icke-metalliska grundämnen bildar joner får de i allmänhet tillräckligt många elektroner för att få samma antal elektroner som en atom av nästa ädelgas i det periodiska systemet. Atomer i grupp 17 får en elektron och bildar anjoner med en 1- laddning; atomer i grupp 16 får två elektroner och bildar joner med en 2- laddning, och så vidare. Den neutrala bromatomen, som har 35 protoner och 35 elektroner, kan till exempel få en elektron för att få 36 elektroner. Detta resulterar i en anjon med 35 protoner, 36 elektroner och en 1- laddning. Den har samma antal elektroner som atomer av nästa ädelgas, krypton, och symboliseras Br-. (En diskussion om teorin som stöder den gynnade statusen för ädelgasens elektronnummer som återspeglas i dessa förutsägande regler för jonbildning finns i ett senare kapitel i den här texten.)

Notera det periodiska systemets användbarhet när det gäller att förutsäga sannolik jonbildning och laddning (figur 2). Om man rör sig från längst till vänster till höger i det periodiska systemet tenderar huvudgruppens grundämnen att bilda katjoner med en laddning som är lika med gruppnumret. Det vill säga, grundämnen i grupp 1 bildar 1+ joner, grundämnen i grupp 2 bildar 2+ joner och så vidare. Om man rör sig från längst till höger till vänster i det periodiska systemet bildar grundämnena ofta anjoner med en negativ laddning som är lika stor som antalet grupper som flyttats till vänster från ädelgaserna. Exempelvis bildar grundämnen i grupp 17 (en grupp till vänster om ädelgaserna) 1-joner, grundämnen i grupp 16 (två grupper till vänster) bildar 2-joner och så vidare. Denna trend kan användas som en vägledning i många fall, men dess prediktiva värde minskar när man rör sig mot mitten av det periodiska systemet. Övergångsmetaller och vissa andra metaller uppvisar nämligen ofta variabla laddningar som inte kan förutsägas av deras placering i tabellen. Koppar kan till exempel bilda joner med en 1+ eller 2+ laddning och järn kan bilda joner med en 2+ eller 3+ laddning.

Figur 2. Vissa grundämnen uppvisar ett regelbundet mönster av jonladdning när de bildar joner.

Närvaron av de attraktionskrafter som håller ihop atomer eller joner i en förening är grunden för att klassificera kemisk bindning. När elektroner överförs och joner bildas uppstår joniska bindningar. Joniska bindningar är elektrostatiska attraktionskrafter, det vill säga de attraktiva krafter som upplevs mellan objekt med motsatt elektrisk laddning (i det här fallet katjoner och anjoner). När elektroner ”delas” och molekyler bildas uppstår kovalenta bindningar. Kovalenta bindningar är dragningskrafter mellan de positivt laddade atomkärnorna hos de bundna atomerna och ett eller flera elektronpar som finns mellan atomerna. Föreningar klassificeras som joniska eller molekylära (kovalenta) på grundval av de bindningar som finns i dem.

Ioniska föreningar

När ett grundämne som består av atomer som lätt förlorar elektroner (en metall) reagerar med ett grundämne som består av atomer som lätt vinner elektroner (en ickemetall), sker vanligen en överföring av elektroner, vilket producerar joner. Den förening som bildas genom denna överföring stabiliseras av de elektrostatiska attraktionskrafterna (joniska bindningar) mellan de joner med motsatt laddning som finns i föreningen. När till exempel varje natriumatom i ett prov av natriummetall (grupp 1) avger en elektron för att bilda en natriumkatjon, Na+, och varje kloratom i ett prov av klorgas (grupp 17) tar emot en elektron för att bilda en kloridjon, Cl-, består den resulterande föreningen, NaCl, av natriumjoner och kloridjoner i förhållandet en Na+-jon för varje Cl-jon. På samma sätt kan varje kalciumatom (grupp 2) avge två elektroner och överföra en till var och en av två kloratomer för att bilda CaCl2, som består av Ca2+- och Cl-joner i förhållandet en Ca2+-jon till två Cl-joner.

En förening som innehåller joner och hålls samman av joniska bindningar kallas en jonisk förening. Det periodiska systemet kan hjälpa oss att känna igen många av de föreningar som är joniska: När en metall kombineras med en eller flera icke-metaller är föreningen vanligtvis jonisk. Denna riktlinje fungerar bra för att förutsäga bildandet av joniska föreningar för de flesta av de föreningar som man vanligtvis stöter på i en introduktionskurs i kemi. Den stämmer dock inte alltid (till exempel är aluminiumklorid, AlCl3, inte jonisk).

Du kan ofta känna igen joniska föreningar på grund av deras egenskaper. Joniska föreningar är fasta ämnen som vanligtvis smälter vid höga temperaturer och kokar vid ännu högre temperaturer. Natriumklorid smälter till exempel vid 801 °C och kokar vid 1413 °C. (Som jämförelse kan nämnas att den molekylära föreningen vatten smälter vid 0 °C och kokar vid 100 °C.) I fast form är en jonisk förening inte elektriskt ledande eftersom dess joner inte kan flöda (”elektricitet” är flödet av laddade partiklar). När den är smält kan den dock leda elektricitet eftersom dess joner kan röra sig fritt genom vätskan (figur 3).

Figur 3. Natriumklorid smälter vid 801 °C och leder elektricitet när den är smält. (kredit: modifiering av arbete av Mark Blaser och Matt Evans)

Molekylära föreningar

Många föreningar innehåller inte joner utan består istället enbart av diskreta, neutrala molekyler. Dessa molekylära föreningar (kovalenta föreningar) uppstår när atomer delar, snarare än överför (vinner eller förlorar), elektroner. Kovalenta bindningar är ett viktigt och omfattande begrepp inom kemin, och det kommer att behandlas mycket ingående i ett senare kapitel i den här texten. Vi kan ofta identifiera molekylära föreningar utifrån deras fysiska egenskaper. Under normala förhållanden existerar molekylära föreningar ofta som gaser, lågkokande vätskor och lågsmältande fasta ämnen, även om det finns många viktiga undantag.

Vidare joniska föreningar vanligtvis bildas när en metall och en ickemetall kombineras, bildas kovalenta föreningar vanligtvis genom en kombination av ickemetaller. Det periodiska systemet kan således hjälpa oss att känna igen många av de föreningar som är kovalenta. Även om vi kan använda positionerna för en förenings grundämnen i det periodiska systemet för att förutsäga om den är jonisk eller kovalent vid denna tidpunkt i vår studie av kemi, bör du vara medveten om att detta är ett mycket förenklat tillvägagångssätt som inte tar hänsyn till ett antal intressanta undantag. Det finns grå nyanser mellan joniska och molekylära föreningar, och du kommer att lära dig mer om dessa senare.

Glossar

kovalent bindning: Attraktiv kraft mellan atomkärnorna i en molekyl och elektronparen mellan atomerna

Kovalent förening: (även molekylär förening) består av molekyler som bildas av atomer från två eller flera olika grundämnen

jonisk bindning: elektrostatiska attraktionskrafter mellan de motsatt laddade jonerna i en jonisk förening

jonisk förening: förening som består av katjoner och anjoner som kombineras i förhållande till varandra, vilket ger ett elektriskt neutralt ämne

molekylär förening: (även kovalent förening) består av molekyler som bildas av atomer från två eller flera olika grundämnen

monatomär jon: jon som består av en enda atom