Wydrukuj Zapisz jako PDF Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał

Producenci wód mineralnych, jogurtów czy suplementów diety zachęcają klientów do kupna swoich produktów, posiłkując się takimi hasłami, jak: „Zawiera podwójną dawkę magnezu” albo „Produkt o obniżonej zawartości sodu” lub „Zawiera wapń”. W jakiej postaci wymienione metale występują zwykle w artykułach spożywczych?

RFVVBOa0JdNMd1
Najbardziej znaną solą jest chlorek sodu, o wzorze NaCl; jego kryształ zbudowany jest z kationów sodu i anionów chlorkowych
Już wiesz
  • co to są związki chemiczne;

  • jak zapisać konfigurację elektronową niektórych pierwiastków;

  • że atomy mogą łączyć się w cząsteczki.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, co to są jon, kation, anion;

  • przedstawiać, w jaki sposób z atomów powstają jony;

  • opisywać, jak tworzy się wiązanie jonowe;

  • porównywać właściwości związków jonowych i kowalencyjnych.

is5HfNgXbF_d5e229

1. Powstawanie jonów

Większość pierwiastków chemicznych nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym, lecz tworzy z innymi pierwiastkami związki chemiczne. Tylko nieliczne substancje proste występują w postaci pojedynczych atomów. Należą do nich gazy szlachetne, czyli pierwiastki chemiczne należące do 18. grupy układu okresowego (helowce). Ich stosunkowo trwała konfiguracja elektronowa jest wzorem dla innych pierwiastków. Podczas tworzenia typowych wiązań chemicznych atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej, jaką ma najbliższy im w układzie okresowym helowiec. Odbywa się to w różny sposób. Atomy pierwiastków mogą uwspólniać elektrony. Mogą także je oddawać innym atomom pierwiastków bądź je od nich przyjmować. W wyniku tych procesów z atomów powstają jonyjonjony.

R9rYwQf2Esxs61
Schemat powstawania jonu z atomu
is5HfNgXbF_d5e262

2. Jak powstaje jon sodu?

W wyniku przekazania elektronu z atomu sodu powstaje jon. Jak pamiętasz, w każdym atomie dodatni ładunek jądra jest równy ujemnemu ładunkowi chmury elektronowej (liczba protonów jest równa liczbie elektronów), a atom jest elektrycznie obojętny. Zauważ, że w jonie sodu liczby protonów i elektronów nie są identyczne: w jądrze atomowym występuje 11 protonów, a w przestrzeni wokół jądra porusza się 10 elektronów. Zatem 1 proton nie jest „zrównoważony” przez elektron. Dlatego cały jon ma ładunek protonu (o wartości równej elementarnemu ładunkowi dodatniemu). O jonie sodu mówi się, że jest dodatni. Jon ten opisuje się za pomocą znaku „+” przy symbolu pierwiastka chemicznego: Na+.

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu.

R1UqXCbMe1Yfh1
Zmiana konfiguracji elektronowej atomu sodu podczas powstawania jonu

Mechanizm powstawania dodatniego jonu sodu można zapisać przy użyciu wzoru elektronowego lub tylko symbolu pierwiastka chemicznego:

Na· oddanie elektronu Na+
Na  Na++ 1e-

Proces powstawania jonów sodu możemy także przedstawić, posługując się konfiguracjami elektronowymi atomu i jego jonu:

Na [2, 8, 1]  oddanie elektronu Na+[2, 8]

Atom sodu ma 11 elektronów. Jeden z nich zajmuje ostatnią powłokę. Po jego oddaniu atom sodu ma 10 elektronów i konfigurację elektronową najbliższego mu w układzie okresowym gazu szlachetnego – neonu. Dzięki temu zyskuje oktet elektronowy – trwałą konfigurację.

is5HfNgXbF_d5e355

3. Jak powstaje jon chloru?

W wyniku przyjęcia elektronu przez atom chloru powstaje jon. Z uwagi na obecność dodatkowego elektronu jon ten jest obdarzony ładunkiem ujemnym (o wartości równej elementarnemu ładunkowi ujemnemu). Opisuje się go za pomocą znaku „–” przy symbolu pierwiastka chemicznego: Cl-

Proces powstawania tego jonu można opisać równaniami:

Cl  przyjęcie elektronu  Cl-
Cl + 1e- → Cl-
Cl [2, 8, 7]  przyjęcie elektronu  Cl-[2, 8, 8]

Na poniższym schemacie przedstawiono zmiany konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu.

R1eHCzdQyjciC1
Zmiana konfiguracji elektronowej atomu chloru podczas powstawania jonu

Jak pamiętasz, atom chloru w cząsteczkach Cl2 czy HCl, aby osiągnąć oktet elektronowy, uwspólnia jeden elektron z innym atomem. Jednak w obecności atomu sodu zachowuje się inaczej – przyjmuje od niego elektron na swoją zewnętrzną powłokę. Liczba jego elektronów zwiększa się wówczas o 1 i atom zyskuje konfigurację elektronową właściwą dla argonu, który w układzie okresowym jest położony zaraz za chlorem.

is5HfNgXbF_d5e442

4. Rodzaje jonów

Jony o ładunku dodatnim nazywa się kationamikationkationami, natomiast te o ładunku ujemnym – anionamianionanionami. Jon sodu, który powstał w wyniku oddania przez atom sodu elektronu, jest kationem. Z kolei atom chloru, który przyjął elektron, staje się anionem.

Atomy metali (szczególnie tych należących do 1. i 2. grupy układu okresowego) tworzą kationy. Atomy niektórych niemetali mogą w wyniku przyjęcia elektronów tworzyć aniony.

RrNiAt56eHWCX1
Rodzaje jonów
is5HfNgXbF_d5e480

5. Jakie wartości ładunków mogą mieć jony?

Atomy mogą oddawać i przyjmować więcej niż 1 elektron.

Jon magnezu

W atomie magnezu (Z = 12) znajduje się 12 protonów i tyle samo elektronów. Podczas oddziaływań z innymi atomami atom Mg może „pozbyć się” 2 elektronów tworzących jego zewnętrzną powłokę elektronową. W powstałym jonie liczba elektronów zmniejsza się i występuje w nim nadmiar ładunków dodatnich (12 p) w stosunku do ujemnych (10 e-). Dlatego jon magnezu jest kationem, a jego ładunek jest równy dwóm elementarnym ładunkom dodatnim. O takich kationach mówi się, że są dwudodatnie i zapisuje w następujący sposób: Mg2+.

Proces powstawania jonów magnezu można przedstawić za pomocą równania:

Mg → Mg2++ 2e-

Zmiany w konfiguracjach elektronowych atomu i kationu magnezu są następujące:

Mg [2, 8, 2]  oddanie 2 elektronów  Mg2+[2, 8]

Zauważ, że kation magnezu osiągnął uznawaną za trwałą konfigurację elektronową neonu (Z = 10).

Jon siarczkowy

Atom siarki tworzy dwuujemny jon.

RS5baSHy2bjr41
Nagranie prezentuje proces i zasadę powstawania jonu siarczkowego z atomu siarki. Rozpoczyna się ujęciem białej planszy z czarnym paskiem po lewej stronie na którym prezentowane jest pole zawierające dane na temat siarki pochodzące z układu okresowego pierwiastków. Na białej części ekranu prezentowane są następujące dane na temat tego pierwiastka: liczba elektronów i protonów równa 16 oraz rozpiska powłok elektronowych wraz z liczbą elektronów na każdej z nich. Przy symbolu powłoki walencyjnej M pojawia się prowadząca do niej strzałka z napisem +2 elektrony. Pojawia się schematyczny zapis procesu: atom siarki po przyłączeniu 2 elektronów tworzy na ostatniej powłoce oktet elektronowy i staje się jonem siarczkowym. Następnie na czarnym pasku pojawia się zestawienie liczby protonów i elektronów w atomie siarki, a także w jonie siarczkowym. Zgodnie z uzyskanym wnioskiem jon siarczkowy charakteryzuje się nadmiarem 2 elektronów, co prowadzi do wydedukowania jego symbolu: S2-.

Jon glinu

Atom glinu tworzy jony glinu o wzorze Al3+. Liczba „3+” oznacza, że powstały jon jest kationem, który utworzył się po oddaniu przez atom glinu 3 elektronów. Powstawanie jonu glinu można opisać następującym równaniem:

Al → Al3++ 3e-

Po uwzględnieniu konfiguracji elektronowej ma ono postać:

Al [2, 8, 3]  oddanie 3 elektronów  Al3+[2, 8]

Konfiguracja elektronowa w kationie glinu jest taka sama jak w atomie neonu (Z = 10).

is5HfNgXbF_d5e563

6. Porównanie atomów i jonów

Po przyjęciu lub oddaniu 1 lub więcej elektronów atomy zmieniają swoje rozmiary. Kationy mają mniejszy promień niż atomy, z których powstają, natomiast aniony – większy.

Porównaj cechy budowy wybranych atomów i ich jonów.

Porównanie cech budowy wybranych atomów i ich jonów

Symbol pierwiastka/wzór jonu

Na
Na+
Mg
Mg2+
Al
Al3+
S
S2-
Cl
Cl-

Liczba

atomowa

11

11

12

12

13

13

16

16

17

17

protonów

11

11

12

12

13

13

16

16

17

17

elektronów

11

10

12

10

13

10

16

18

17

18

Ładunek elektryczny

jednododatni
(1+)

dwudodatni
(2+)

trójdodatni
(3+)

dwuujemny
(2–)

jednoujemny
(1–)

Nazwa

atom sodu

kation sodu

atom magnezu

kation magnezu

atom glinu

kation glinu

atom siarki

anion siarczkowy

atom chloru

anion chlorkowy

Konfiguracja elektronowa

[2, 8, 1]

[2, 8]

[2, 8, 2]

[2, 8]

[2, 8, 3]

[2, 8]

[2, 8, 6]

[2, 8, 8]

[2, 8, 7]

[2, 8, 8]

Symbol helowca o tej samej konfiguracji elektronowej

Ne

Ne

Ne

Ar

Ar
RqdoKNVDs6u6L1
Nagranie zaczyna się od planszy prezentującej model atomu sodu w postaci dużej białej kuli z napisem Na. Z kuli wychodzi niebieska strzałka podpisana elektron, w wyniku czego promień kuli wyraźnie się zmniejsza, a oznaczenie cząstki zmienia się na Na+. Pojawiają się napisy: promień kationu równy jest 98 pikometrów, promień atomu równy jest 186 pikometrów. Zestawienia promieni atomu sodu i jego kationu zostają umieszczone po lewej stronie ekranu na czarnym pasku, a w obszarze głównym prezentowana jest analogiczny proces dla atomu magnezu: oddanie 2 elektronów, zmniejszenie średnicy kulki symbolizującej magnez, zmiana symbolu Mg na Mg2+. Pojawiają się dane liczbowe: promień kationu równy 78 pikometrów, promień atomu równy 160 pikometrów. Film kończy zestawienie modeli atomów i kationów obydwu omawianych pierwiastków oraz wyświetlenie wniosku końcowego, odczytanego również przez lektora.
R1D39Kw80Gj6F1
Nagranie zaczyna się od planszy prezentującej model atomu chloru w postaci dużej białej kuli z napisem Cl. W kulę wnika niebieska strzałka podpisana przyjęcie jednego elektronu, w wyniku czego promień kuli wyraźnie się powiększa, a oznaczenie cząstki zmienia się na Cl+. Pojawiają się napisy: promień anionu równy jest 181 pikometrów, promień atomu równy jest 99 pikometrów. Zestawienia promieni atomu chloru i jego anionu zostają umieszczone po lewej stronie ekranu na czarnym pasku, a w obszarze głównym prezentowana jest analogiczny proces dla atomu siarki: przyjęcie 2 elektronów, zwiększenie się średnicy kulki symbolizującej siarkę, zmiana symbolu S na S2-. Pojawiają się dane liczbowe: promień kationu równy 184 pikometry, promień atomu równy 104 pikometry. Film kończy zestawienie modeli atomów i anionów obydwu omawianych pierwiastków oraz wyświetlenie wniosku końcowego, odczytanego również przez lektora.
is5HfNgXbF_d5e673

7. Wiązanie jonowe (struktura jonowa)

Dążenie do osiągania konfiguracji elektronowej najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego to podstawowa przyczyna powstawania wiązań chemicznych. Atomy niektórych pierwiastków, aby osiągnąć odpowiednią liczbę elektronów na ostatniej powłoce, tworzą wspólne pary elektronowe, inne – oddają lub przyjmują elektrony. Przykładem związku chemicznego, który może powstać w wyniku oddawania i przyjmowania elektronów, jest chlorek sodu NaCl, czyli sól kuchenna.

Mechanizm powstawania jonów z atomów sodu i chloru można opisać następująco:

RQIR3Q4jtxvI31
Źródło: Krzysztof Jaworski, Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.

Każdy z atomów pierwiastków w chlorku sodu osiąga konfigurację elektronową najbliższego w układzie okresowym gazu szlachetnego: kation sodu – neonu, anion chlorkowy – argonu.

Chlorek sodu ma inne właściwości niż sód i chlor, pierwiastki chemiczne, z których został utworzony. Chlorek sodu jest zbudowany z kationów sodu i anionów chlorkowych, które jako jony o przeciwnych znakach wzajemnie się przyciągają siłami elektrostatycznymi. Tego rodzaju połączenia w związkach chemicznych nazywa się wiązaniami jonowymi.

Wiązanie jonowewiązanie jonoweWiązanie jonowe to rodzaj wiązania chemicznego, które powstaje w wyniku przyciągania się jonów o przeciwnych znakach. O związkach chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe, mówi się, że są to związki jonowe. Jony o tym samym ładunku odpychają się, a więc nie mogą znajdować się obok siebie. Z tego powodu w związku jonowym kationy i aniony są ułożone naprzemiennie. Struktura, którą tworzą, jest nazywana kryształem jonowym. W krysztale związku jonowego każdy kation otoczony jest przez aniony, a każdy anion – przez kationy.

is5HfNgXbF_d5e727

8. Jak zbudowane są związki jonowe?

Związki jonowe są zbudowane z jonów o przeciwnych znakach. Jony te przyciągają się w wyniku sił elektrostatycznych. Związek jonowy – chlorek sodu – w temperaturze pokojowej jest substancją stałą składającą się z naprzemiennie ułożonych jonów sodu i chlorkowych. Liczby kationów i anionów w kryształach związków jonowych są takie, że w efekcie kryształ jest elektrycznie obojętny (nie jest obdarzony ładunkiem elektrycznym). W przypadku chlorku sodu na jeden kation sodu Na+ przypada jeden anion chlorkowy Cl-. Wzór sumaryczny tego związku to NaCl. Zapis: Na+Cl- podkreśla, że związek ten jest złożony z jonów.

Związki jonowe nie są zbudowane z cząsteczek. W ich kryształach można wyróżnić najmniejszy zbiór powtarzających się kationów i anionów, który odpowiada wzorowi sumarycznemu związku.

RFVVBOa0JdNMd1
Najbardziej znaną solą jest chlorek sodu, o wzorze NaCl; jego kryształ zbudowany jest z kationów sodu i anionów chlorkowych

Innym przykładem związku jonowego jest chlorek magnezu, zbudowany z kationów magnezu Mg2+ oraz anionów chlorkowych Cl-.

RYUihPbkCrKLV1
Chlorek magnezu w temperaturze pokojowej jest substancją stałą

Jak każdy związek jonowy chlorek magnezu jest zbudowany z naprzemiennie ułożonych jonów: kationów i anionów.

R1U1s330ZWuMW1
W krysztale chlorku magnezu na jeden kation magnezu przypadają dwa aniony chlorkowe. Jest to substancja elektrycznie obojętna

Wzór sumaryczny chlorku magnezu to: MgCl2.

Budowę jonową ma także chlorek glinu. Jest to substancja składająca się z kationów glinu Al3+ i anionów chlorkowych Cl-. W krysztale, który tworzy, na 1 trójdodatni jon glinu Al3+ przypadają 3 jednoujemne jony chlorkowe Cl-. Dlatego wzór sumaryczny tego związku chemicznego to: AlCl3.

Wiązania jonowe powstają między metalami a niektórymi niemetalami.

Budowa przykładowych związków jonowych

Związek jonowy

Chlorek magnezu

Chlorek glinu

Siarczek sodu

Kation

Mg2+

Al3+

Na+

Anion

Cl-

Cl-

S2-

Stosunek liczby kationów do liczby anionów

1 : 2

1 : 3

2 : 1

Wzór sumaryczny związku chemicznego

MgCl2

AlCl3

Na2S

is5HfNgXbF_d5e791

9. Substancje jonowe a substancje kowalencyjne

Związki chemiczne zbudowane z jonów różnią się od związków, które występują w postaci cząsteczek. Związki jonowe (zawierające wiązania jonowe) są tworzone w wyniku oddziaływań metali z niemetalami. Natomiast związki kowalencyjne (zawierające wiązania kowalencyjne) powstają z niemetali.

Temperatury wrzenia i topnienia przykładowych substancji jonowych i kowalencyjnych

Nazwa związku chemicznego

Związki

jonowe

kowalencyjne

chlorek sodu

chlorek magnezu

dwutlenek węgla

woda

metan (składnik gazu ziemnego)

Temperatura

topnienia [°C]

802,0

714,0

–56,6 (pod zwiększonym ciśnieniem)

0,0

–182,4

wrzenia [°C]

1413,0

1367,0

–78,5 (następuje sublimacja)

100,0

–161,5

Stan skupienia w temperaturze pokojowej

substancja stała

substancja stała

gaz

ciecz

gaz

Związki jonowe w temperaturze pokojowej są substancjami stałymi o wysokich temperaturach topnienia i wrzenia. W tych samych warunkach niektóre związki kowalencyjne są gazami, inne – substancjami stałymi, a jeszcze inne – cieczami. Mają zwykle znacznie niższe temperatury wrzenia i topnienia niż związki jonowe. Większość związków jonowych, w przeciwieństwie do kowalencyjnych, bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie.

Ciekawostka

Diament jest wyjątkowym przykładem substancji kowalencyjnej. Jest zbudowany z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Wiązania te tworzą sieć obejmującą cały kryształ. Diament nie rozpuszcza się w wodzie, ale poza tym nie ma właściwości charakterystycznych dla substancji kowalencyjnych. Jego temperatury wrzenia i topnienia są bardzo wysokie, podobnie jak związków jonowych.

RE7hWhFq4q6JB1
Diament – kryształ
RjSp7SQVdqSiT1
Struktura kryształu diamentu – każdy atom węgla jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z czterema takimi samymi atomami węgla
is5HfNgXbF_d5e842

Podsumowanie

  • Jony powstają z atomów, które oddały lub przyjęły co najmniej 1 elektron.

  • Jony obdarzone ładunkiem dodatnim to kationy; powstają z atomów po oddaniu co najmniej 1 elektronu.

  • Jony obdarzone ładunkiem ujemnym to aniony; powstają z atomów, które przyjęły co najmniej 1 elektron.

  • Kationy powstają głównie z atomów metali, aniony zaś – m.in. z atomów niektórych niemetali.

  • Związki jonowe są zbudowane z naprzemiennie ułożonych kationów i anionów, które tworzą uporządkowaną strukturę nazywaną kryształem jonowym.

  • W krysztale związku jonowego jony o przeciwnych znakach wzajemnie się przyciągają w efekcie działania sił elektrostatycznych.

  • Związki kowalencyjne zwykle składają się z cząsteczek.

  • Związki jonowe najczęściej mają wyższe temperatury wrzenia i topnienia w stosunku do związków kowalencyjnych; są także zazwyczaj lepiej rozpuszczalne w wodzie w porównaniu z substancjami zbudowanymi z cząsteczek.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Atom chloru może tworzyć 2 rodzaje wiązań chemicznych w zależności od rodzaju pierwiastka chemicznego, z którym się łączy. Wskaż po jednym przykładzie związku jonowego i kowalencyjnego, w którym występuje chlor (podaj wzory sumaryczne tych związków chemicznych).

Polecenie 1.2

Lekarze nie zalecają spożywania słonych potraw z uwagi na możliwość wystąpienia u ludzi wysokiego ciśnienia tętniczego. Sprawdź w dostępnych źródłach, który z jonów wchodzących w skład soli kuchennej odpowiada za ten niekorzystny wpływ soli na układ krwionośny człowieka. Dowiedz się także, czy człowiek może całkowicie zrezygnować ze spożywania tej substancji bez szkody dla organizmu. Zdobytą wiedzę przedstaw w zeszycie w formie notatki.

is5HfNgXbF_d5e911

Słowniczek

anion
anion

jon o ładunku ujemnym

jon (jon prosty)
jon (jon prosty)

cząstka obdarzona ładunkiem elektrycznym, która powstała z atomu w wyniku przyjęcia lub oddania 1 lub więcej elektronów

kation
kation

jon o ładunku dodatnim

wiązanie jonowe (struktura jonowa)
wiązanie jonowe (struktura jonowa)

rodzaj wiązania chemicznego, które powstaje w wyniku elektrostatycznego przyciągania się jonów o przeciwnych znakach

is5HfNgXbF_d5e999

Zadania

Ćwiczenie 1
RehDNTrL8lSmy1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R853qSuTFzu8v1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R13at08jnZ0bO1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
RlaOtReHRW8E51
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
R1HVZCLZVqpJa1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
RnlXKW5an2XJF1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
RqczwWptlVsZG1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
RdI3q5QsWY1TV1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9
R1VICzRsGqtMk1
zadanie interaktywne
Źródło: Bożena Karawajczyk, licencja: CC BY 3.0.