Магия ионной связи: натрий + хлор = поваленная соль
Магия ионной связи: натрий + хлор = поваленная соль
Натрий представляет собой серебристо-белый металл, достаточно распространенный в природе. Он настолько мягок, что легко режется ножом. Натрий является хорошим проводником. Вследствие очень легкой окисляемости в природе встречается исключительно в виде соединений. Поэтому, чтобы исключить контакт натрия с водой, содержащейся в воздухе, его обычно хранят под слоем керосина. Если расплавить только что отрезанный кусочек натрия и вылить его в мензурку, заполненную хлором (зеленовато-желтым газом), то произойдет нечто весьма впечатляющее. Расплавленный натрий начнет мерцать белым светом, который будет становиться все ярче и ярче, а хлор закружится в вихре, и постепенно цвет его станет исчезать. Через несколько минут мерцание прекратится, газ обесцветится, и реакция завершится. Теперь можно открыть мензурку. В ней вы найдете обыкновенную поваренную соль — NaCl.
Разберемся в компонентах
Действительно, если задуматься, то процесс образования поваренной соли покажется весьма примечательным. Из двух довольно опасных веществ (во время первой мировой войны немцы использовали хлор против солдат Антанты) можно получить абсолютно безопасное, жизненно необходимое вещество. В этом разделе описывается химическая реакция образования соли и — что еще важнее — рассматриваются причины происходящего.
Натрий — это щелочной металл, представитель группы IA периодической таблицы. Римские цифры в нумерации групп указывают на количество валентных электронов (т.е. s- и p-электронов внешнего энергетического уровня), содержащихся в элементе (более подробно об этом речь идет в главе 4, «Периодическая таблица (не путать с таблицей умножения!)»). Так, у натрия один валентный электрон, а всего у него 11 электронов, потому что его атомный номер равен 11.
Распределение электронов в атоме можно показать с помощью диаграммы уровней энергии. Для натрия такая диаграмма приведена на рис. 6.1. (Если вы незнакомы с диаграммами уровней энергии, то обратитесь к главе 3, «Атом и его структура». Существуют разные варианты представления диаграмм уровней энергии. Поэтому пусть вас не беспокоит, что показанные в данной главе диаграммы несколько отличаются от приведенных в главе 3.)
Хлор принадлежит к галогенам, которые в периодической таблице объединены в группу VIIA. Он имеет 7 валентных электронов, а всего у него 17 электронов. Диаграмма уровней энергии для хлора приведена на рис. 6.1.
Распределение электронов в атоме можно представлять не только с помощью громоздкой диаграммы уровней энергии, но и с помощью электронной конфигурации. (Более подробно электронные конфигурации рассматриваются в главе 3, «Атом и его структура».) Для этого нужно записать по порядку энергетические уровни с соответствующими им типами орбита-лей (s, p, d и т.д.), а затем в качестве верхних индексов — количество электронов для каждого типа орбиталей, имеющихся на каждом уровне. Электронные конфигурации для натрия и хлора приведены ниже.
Разберемся в реакции
Инертные газы — это элементы, составляющие группу VIIIA периодической таблицы. Они характеризуются очень низкой химической активностью, так как их валентный (т. е. внешний) энергетический уровень является заполненным (как еще говорят, укомплектованным). Заполнение валентного энергетического уровня — главный закон химической реакции, ведь тогда элементы становятся стабильными, или «насыщенными». В стабильном состоянии элементы не отдают и не принимают электроны, а также не участвуют в их совместном использовании.
Что касается других элементов, относящихся в периодической таблице к группам A, то, чтобы заполнить свой валентный энергетический уровень и стать насыщенными, они должны принимать, отдавать или совместно использовать валентные электроны. Поскольку в большинстве случаев заполняются внешние s- и p-орбитали, эта закономерность получила название правила октета. Ведь элементы принимают, отдают или совместно используют электроны именно для того, чтобы достичь полного октета (т. е. иметь восемь валентных электронов, два из которых должны находиться на s-орбитали, а шесть — на р-орбиталях).
Роль натрия
На внешнем энергетическом уровне натрия находится один электрон, следовательно, согласно правилу октета, он станет стабильным, когда будет иметь восемь валентных электронов. Для этого ему нужно либо получить еще семь электронов, чтобы заполнить третий энергетический уровень, либо отдать один электрон, находящийся на 3s-орбитали. В последнем случае валентным энергетическим уровнем станет второй уровень (как имеющий восемь электронов). Обычно атом может отдать или получить один, два либо даже три электрона, но ни один элемент не может отдавать или получать больше трех электронов. Таким образом, чтобы перейти в стабильное состояние, натрий отдает электрон, расположенный на 3s-орбитали. Теперь у него 11 протонов (т.е. 11 положительных зарядов) и 10 электронов (т.е. 10 отрицательных зарядов). Таким образом, натрий из нейтрального атома превращается в положительно заряженную частицу + 10(-) = Теперь он является положительным
однозарядным ионом, т.е. атомом, имеющим заряд вследствие потери или получения электронов. Положительно заряженные ионы (например, ионы натрия) называются катионами. Электронная конфигурация катиона натрия приведена ниже.
Na+ 1s22s22p6
Ион натрия (катион) имеет такую же электронную конфигурацию, что и неон, поэтому является изоэлектронным неону. Неужели, теряя электрон, натрий становится неоном? Нет. У натрия все равно остается 11 протонов, а элемент определяется именно количеством протонов.
Нейтральный атом натрия и его катион отличаются одним электроном. Кроме того, у них разная химическая реакционная способность и разные размеры. Катион меньше атома. Дело в том, что размер атома или иона (в нашем случае катиона) определяется его внешним энергетическим уровнем. Превращаясь в катион, атом натрия лишается третьего энергетического уровня, следовательно, размер катиона меньше.
Роль хлора
У хлора на внешнем энергетическом уровне находится семь валентных электронов. Чтобы получить полный октет электронов, хлор должен отдать семь электронов, находящихся на третьем энергетическом уровне, или принять на этот уровень один электрон. Однако, как уже отмечалось, ни один элемент не может принять или отдать больше трех электронов, поэтому
хлор, чтобы заполнить третий энергетический уровень, должен получить один электрон. Тогда у него будет 17 протонов (т.е. 17 положительных зарядов) и 18 электронов (т.е. 18 отрицательных зарядов). Таким образом, хлор станет отрицательным однозарядным ионом (Cl-). Из нейтрального атома хлора получится ион хлора. Атомы, присоединившие к себе лишние электроны и имеющие отрицательный заряд, называются анионами. Ниже приведена электронная конфигурация для аниона хлора.
Cl- 1s22s22p63s23p6
Анион хлора является изоэлектронным аргону. Кроме того, радиус аниона хлора немного больше радиуса нейтрального атома хлора. Чтобы заполнить октет, полученный электрон достраивает третий энергетический уровень. Теперь 18 электронов притягиваются 17 протонами. Сила притяжения при этом немного уменьшилась, а радиус частицы несколько увеличился.
В итоге получается связь
Натрий достигает полного октета и стабильности, теряя один электрон. А хлор, наоборот, комплектует октет, получая электрон. Если оба элемента находятся в одном месте, то электрон, который отдает натрий, может стать электроном, который получает хлор. Этот процесс демонстрируется на рис. 6.1, где электрон перемещается с 3s-орбитали атома натрия на одну из 3p-орбиталей атома хлора.
В результате перемещения электрона образуются ионы — катион (с положительным зарядом) и анион (с отрицательным зарядом). Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, анион Cl- притягивается катионом Na+, в результате чего образуется соединение NaCl, или поваренная соль. Это пример ионной связи, которая, в свою очередь, является химической связью. Она осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов и приводит к образованию устойчивого соединения.
Соединения с ионными связями обычно называются солями. В кристаллической решетке хлорида натрия каждый катион натрия окружен шестью анионами хлора, а каждый анион хлора, в свою очередь, окружен шестью катионами натрия. Эта кристаллическая структура показана на рис. 6.2.
Обратите внимание на регулярную повторяющуюся структуру. У различных солей разная кристаллическая структура. Катионы и анионы могут быть не только однозарядными, но и двух- или трехзарядными, в зависимости от того, сколько электронов они отдают или принимают. Таким образом, возможны самые разные виды солей.
Ионная связь является одним из двух основных видов связи, известных в химии. Другой вид химической связи — ковалентная связь — рассматривается в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски». Поняв принципы, лежащие в основе ионной связи, будет намного проще разобраться с ковалентной связью.