Йони та іонні сполуки Вступна хімія

Наразі ми обговорювали елементи та сполуки, які є електрично нейтральними. Вони мають таку ж кількість електронів, як і протони, тому негативні заряди електронів врівноважуються позитивними зарядами протонів. Однак це не завжди так. Електрони можуть переходити від одного атома до іншого; коли вони це роблять, утворюються види з загальними електричними зарядами. Такі види називаються іонами. Види із загальними позитивними зарядами називаються катіонами, тоді як види із загальними негативними зарядами називаються аніонами. Пам’ятайте, що іони утворюються лише тоді, коли електрони переходять від одного атома до іншого; протон ніколи не рухається від одного атома до іншого. З'єднання, утворені з позитивних і негативних іонів, називаються іонними сполуками .

Окремі атоми можуть отримувати або втрачати електрони. Коли вони це роблять, вони стають одноатомними іонами. Коли атоми набирають або втрачають електрони, вони зазвичай набирають або втрачають характерну кількість електронів і тому приймають характерний загальний заряд. У таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів” перераховані деякі загальні іони з точки зору того, скільки електронів вони втрачають (утворюючи катіони) або отримують (утворюючи аніони). Є кілька речей, які слід помітити щодо іонів у таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів”. По-перше, кожен елемент, який утворює катіони, є металом, за винятком одного (водень), тоді як кожен елемент, що утворює аніони, є неметалом. Це насправді одна з хімічних властивостей металів і неметалів: метали мають тенденцію утворювати катіони, тоді як неметали мають тенденцію утворювати аніони. По-друге, більшість атомів утворюють іони одного характерного заряду. Коли атоми натрію утворюють іони, вони завжди утворюють заряд 1+, ніколи не 2+ або 3+ або навіть 1− заряд. Таким чином, якщо ви передасте пам’яті інформацію, наведену в таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів”, ви завжди будете знати, які заряди утворюють більшість атомів. (У розділі 9 «Хімічні зв’язки» ми обговоримо, чому атоми утворюють заряди, які вони роблять).

Таблиця 3.6 Одноатомні іони різних зарядів

Іони, утворені втратою одного електрона H +
Na +
К +
Rb +
Ag +
Au +
Іони, утворені втратою двох електронів Mg 2+
Са 2+
Sr 2+
Fe 2+
Co 2+
Ni 2+
Cu 2+
Zn 2+
Sn 2+
Hg 2+
Pb 2+
Іони, утворені втратою трьох електронів Sc 3+
Fe 3+
Co 3+
Ni 3+
Au 3+
Al 3+
Cr 3+
Іони, утворені втратою чотирьох електронів Ti 4+
Sn 4+
Pb 4+
Іони, що утворюються при отриманні одиничного електрона F -
Cl -
Br -
Я -
Іони, що утворюються при отриманні двох електронів O 2−
S 2−
Se 2−
Іони, що утворюються при отриманні трьох електронів N 3−
P 3−

По-третє, є деякі винятки з попереднього пункту. Кілька елементів, усі метали, можуть утворювати більше одного можливого заряду. Наприклад, атоми заліза можуть утворювати 2+ катіони або 3+ катіони. Кобальт - ще один елемент, який може утворювати більше одного можливого зарядженого іона (2+ і 3+), тоді як свинець може утворювати 2+ або 4+ катіони. На жаль, мало розуміння, які два заряди може зайняти атом металу, тому найкраще просто запам'ятати можливі заряди, які може мати певний елемент.

Зверніть увагу на умову позначення іона. Величина заряду вказана як правильний верхній індекс поряд із символом елемента. Якщо заряд є одним позитивним чи негативним, цифра 1 не пишеться; якщо величина заряду більша за 1, то число пишеться перед знаком + або -. Символом елемента без заряду, написаного поруч із ним, вважається незаряджений атом.

Присвоєння іону просто. Для катіона просто вкажіть ім’я елемента та додайте слово ion (або, якщо ви хочете бути більш конкретним, додайте катіон) після назви елемента. Отже Na + - це іон натрію; Са 2+ - це іон кальцію. Якщо елемент має більше одного можливого заряду, значення заряду настає після назви елемента та перед словом ion. Таким чином, Fe 2+ - це іон заліза двох, тоді як Fe 3+ - три іон заліза. У друкованому вигляді ми використовуємо римські цифри в дужках для представлення заряду на іоні, тому ці два іони заліза були б представлені як катіон заліза (II) та катіон заліза (III) відповідно.

Для одноатомного аніона використовуйте стовбур імені елемента та додайте до нього суфікс -ide, а потім додайте ion. Це схоже на те, як ми називали молекулярні сполуки. Таким чином, Cl - хлористий іон, а N 3− - нітрид-іон.

Приклад 6

Назвіть кожен вид.

  1. O 2−
  2. Співпраця
  3. Co 2+

  1. Цей вид має на собі 2 - заряд, тому він є аніоном. Аніони називаються за допомогою основи імені елемента з доданим суфіксом -ide. Це оксидний аніон.
  2. Оскільки цей вид не має заряду, це атом у своїй елементній формі. Це кобальт.
  3. У цьому випадку на атомі є заряд 2+, тож він є катіоном. З таблиці 3.6 “Одноатомні іони різних зарядів” зазначаємо, що катіони кобальту можуть мати два можливі заряди, тому в назві іона повинно бути вказано, який заряд у іона. Це катіон кобальту (II).

Назвіть кожен вид.

  1. P 3−
  2. Sr 2+

  1. фосфідний аніон
  2. катіон стронцію

Хімічні формули іонних сполук називаються іонними формулами. Власна іонна формула має в собі катіон і аніон; іонна сполука ніколи не утворюється між двома катіонами або двома аніонами. Ключ до написання власних іонних формул простий: загальний позитивний заряд повинен збалансувати загальний негативний заряд. Оскільки заряди на іонах характерні, іноді нам доводиться мати більше одного катіона або аніона, щоб збалансувати загальні позитивні та негативні заряди. Зазвичай використовують найнижче співвідношення іонів, необхідних для збалансування зарядів.

Наприклад, розглянемо іонну сполуку між Na + і Cl -. Кожен іон має один заряд, один позитивний і один негативний, тому нам потрібен лише один іон кожного, щоб збалансувати загальний заряд. При написанні іонної формули ми дотримуємося двох додаткових домовленостей: (1) спочатку напишіть формулу катіона, а далі формулу аніона, але (2) не записуйте заряди на іони. Таким чином, для сполуки між Na + і Cl - ми маємо іонну формулу NaCl (рис. 3.5 “NaCl = кухонна сіль”). Формула Na 2Cl 2 також має збалансовані заряди, але загальноприйнята умова полягає у використанні найнижчого співвідношення іонів, яке було б одним із кожного. (Пам’ятайте з наших конвенцій щодо написання формул, що ми не пишемо індекс 1, якщо присутній лише один атом певного елемента.) Для іонної сполуки між катіонами магнію (Mg 2+) та оксидними аніонами (O 2−), знову нам потрібен лише один з кожного іона, щоб збалансувати заряди. За домовленістю формулою є MgO.

Рисунок 3.5 NaCl = кухонна сіль

йони

Іонна сполука NaCl дуже поширена.
Джерело: “Кошерна сіль” від stlbites.com ліцензована згідно з Creative Commons Attribution-NoDerivs 2.0 Generic.

Для іонної сполуки між іонами Mg 2+ та іонами Cl - ми тепер враховуємо той факт, що заряди мають різну величину - 2+ на іон магнію та 1 - на іон хлориду. Щоб збалансувати заряди з якомога меншою кількістю іонів, нам потрібно мати два хлорид-іони, щоб збалансувати заряд на одному іоні магнію. Замість того, щоб писати формулу MgClCl, ми поєднуємо два хлорид-іони і записуємо її з індексом 2: MgCl 2.

Що нам говорить формула MgCl 2? У формулі є два хлорид-іони. Хоча хлор як елемент є двохатомною молекулою Cl 2, елементарний хлор не входить до складу цієї іонної сполуки. Хлор має форму негативно зарядженого іона, а не нейтрального елемента. Індекс 2 - в іонній формулі, тому що нам потрібні два іони Cl -, щоб збалансувати заряд на одному іоні Mg 2+.

Приклад 7

Напишіть правильну іонну формулу для кожного з двох поданих іонів.

  1. Ca 2+ і Cl -
  2. Al 3+ і F -
  3. Al 3+ та O 2−

  1. Нам потрібні два іони Cl - для збалансування заряду на одному іоні Ca 2+, тому правильна іонна формула CaCl 2.
  2. Нам потрібні три F - іони, щоб збалансувати заряд на іоні Al 3+, тому правильна іонна формула - AlF 3.
  3. З Al 3+ та O 2−, зауважте, що жоден заряд не є ідеальним кратним іншому. Це означає, що ми повинні перейти до найменшого загального кратного, яке в цьому випадку буде шість. Щоб отримати загалом 6+, нам потрібні два іони Al 3+; щоб отримати 6−, нам потрібні три іони O 2−. Отже, власною іонною формулою є Al 2O 3.

Напишіть належні іонні формули для кожного з двох поданих іонів.

  1. Fe 2+ і S 2−
  2. Fe 3+ і S 2−

Називати іонні сполуки просто: поєднувати назву катіона та назву аніона, в обох випадках пропускаючи слово іон. Не використовуйте числові префікси, якщо для балансування зарядів потрібно більше одного іона. NaCl - це хлорид натрію, поєднання назви катіона (натрій) та аніону (хлорид). MgO - оксид магнію. MgCl 2 - це хлорид магнію, а не дихлорид магнію.

Називаючи іонні сполуки, катіони яких можуть мати більше одного можливого заряду, ми також повинні включати заряд у дужках та римськими цифрами як частину назви. Отже, FeS - це сульфід заліза (II), тоді як Fe 2S 3 - сульфід заліза (III). Знову ж, в назві не відображаються числові префікси. Кількість іонів у формулі продиктована необхідністю збалансувати позитивні та негативні заряди.

Приклад 8

Назвіть кожну іонну сполуку.

  1. CaCl 2
  2. AlF 3
  3. Co 2O 3

  1. Використовуючи назви іонів, цю іонну сполуку називають хлоридом кальцію. Це не хлорид кальцію (II), оскільки кальцій утворює лише один катіон, коли утворює іон, і він має характерний заряд 2+.
  2. Назва цієї іонної сполуки - фторид алюмінію.
  3. Ми знаємо, що кобальт може мати більше одного можливого заряду; нам просто потрібно визначити, що це таке. Оксид завжди має 2− заряд, тому з трьома оксидними іонами ми маємо загальний негативний заряд 6−. Це означає, що два іони кобальту повинні вносити 6+, що для двох іонів кобальту означає, що кожен з них становить 3+. Тому власна назва цієї іонної сполуки - оксид кобальту (III).

Назвіть кожну іонну сполуку.

  1. оксид скандію
  2. хлорид срібла

Звідки ви знаєте, чи формула - і, розширюючись, назва - для молекулярної сполуки чи для іонної сполуки? Молекулярні сполуки утворюються між неметалами та неметалами, тоді як іонні сполуки утворюються між металами та неметалами. Періодична система (рис. 3.2 “Проста періодична система”) може бути використана для визначення того, якими елементами є метали та неметали.

Існує також група іонів, що містять більше одного атома. Вони називаються багатоатомними іонами. У таблиці 3.7 “Загальні багатоатомні іони” наведено формули, заряди та назви деяких загальних багатоатомних іонів. Тільки один з них, іон амонію, є катіоном; решта - аніони. Більшість з них також містять атоми кисню, тому іноді їх називають оксианіонами. Деякі з них, такі як нітрати та нітрити, сульфати та сульфіти, мають дуже схожі формули та назви, тому потрібно подбати, щоб формули та назви були правильними. Зверніть увагу, що багатоатомний іон -ite має у своїй формулі на один атом кисню менше, ніж іон -ate, але з тим самим іонним зарядом.

Таблиця 3.7 Загальні багатоатомні іони

Формула назви та заряду Назва формули та заряду
амонію NH 4 + гідроксид ОН -
ацетат C 2H 3O 2 -, або CH 3COO - нітрат НІ 3 -
бікарбонат (гідрокарбонат) HCO 3 - нітрит НІ 2 -
бісульфат (сірководень) HSO 4 - перекис O 2 2−
карбонат CO 3 2− перхлорат ClO 4 -
хлорат ClO 3 - фосфат PO 4 3−
хромат CrO 4 2− сульфат SO 4 2−
ціанід CN - сульфіт SO 3 2−
дихромат Cr 2O 7 2− трийодид I 3 -

Назви іонних сполук, що містять багатоатомні іони, дотримуються тих самих правил, що і найменування інших іонних сполук: просто поєднуйте назву катіона та назву аніона. Не використовуйте числові префікси в назві, якщо є більше одного багатоатомного іона; єдиним винятком з цього є те, якщо назва самого іона містить числовий префікс, такий як дихромат або трийодид.

Написання формул іонних сполук має одну важливу відмінність. Якщо для збалансування загального заряду у формулі потрібно більше одного багатоатомного іона, вкладіть формулу багатоатомного іона в дужки і напишіть відповідний числовий індекс праворуч і за дужками. Таким чином, формула між іонами кальцію, Ca 2+ та нітрат-іонами NO 3 -, правильно записана Ca (NO 3) 2, а не CaNO 32 або CaN 2O 6. За потреби використовуйте дужки. Назва цієї іонної сполуки - просто нітрат кальцію.

Приклад 9

Напишіть правильну формулу та дайте власне ім'я для кожної іонної сполуки, що утворюється між двома перерахованими іонами.

  1. NH 4 + і S 2−
  2. Al 3+ і PO 4 3−
  3. Fe 2+ і PO 4 3−

  1. Оскільки іон амонію має заряд 1+, а сульфідний іон - 2−, нам потрібні два іони амонію, щоб збалансувати заряд на одному сульфідному іоні. Вкладаючи формулу іона амонію в дужки, маємо (NH 4) 2S. Назва сполуки - сульфід амонію.
  2. Оскільки іони мають однакову величину заряду, нам потрібен лише один із кожного, щоб збалансувати заряди. Формула - AlPO 4, а назва сполуки - фосфат алюмінію.
  3. Жоден заряд не є точним кратним іншому, тому нам потрібно перейти до найменшого загального кратного 6. Щоб отримати 6+, нам потрібні три іони заліза (II), а щоб отримати 6−, нам потрібно два іони фосфату. Правильна формула - Fe 3 (PO 4) 2, а назва сполуки - залізо (II) фосфат.

Напишіть правильну формулу та дайте власне ім'я для кожної іонної сполуки, що утворюється між двома перерахованими іонами.

  1. NH 4 + і PO 4 3−
  2. Co 3+ і NO 2 -

  1. (NH 4) 3PO 4, фосфат амонію
  2. Co (NO 2) 3, кобальт (III) нітрит

Додаток для їжі та напоїв: натрій у вашій їжі

Елемент натрій, принаймні у своїй іонній формі як Na +, є необхідною поживною речовиною для життя людини. Насправді, людський організм складає приблизно 0,15% натрію, середня людина в будь-який момент часу має у своєму тілі від двадцятої до однієї десятої кілограма, переважно в рідинах поза клітинами та в інших тілесних рідинах.

Натрій також присутній у нашому раціоні. Звичайна кухонна сіль, яку ми використовуємо в їжі, є іонною сполукою натрію. Багато оброблених харчових продуктів також містять значну кількість натрію, доданого до них у вигляді різноманітних іонних сполук. Чому так багато використовують сполуки натрію? Зазвичай сполуки натрію коштують недорого, але, що важливіше, більшість іонних сполук натрію легко розчиняються. Це дозволяє виробникам оброблених харчових продуктів додавати натрієвмісні речовини до харчових сумішей і знати, що ця сполука буде рівномірно розчинятися і розподілятися по їжі. Прості іонні сполуки, такі як нітрит натрію (NaNO 2), додаються до в’яленого м’яса, наприклад, до м’яса з беконом та делікатесом, тоді як сполука, що називається бензоат натрію, додається до багатьох упакованих продуктів харчування як консервант. Таблиця 3.8 “Деякі сполуки натрію, додані в їжу” - це частковий перелік деяких добавок натрію, що використовуються в їжі. Деякі з них ви можете впізнати, прочитавши цю главу. Інших ви можете не впізнати, але всі вони є іонними сполуками натрію з деяким негативно зарядженим іоном.

Таблиця 3.8 Деякі сполуки натрію, додані в їжу

Використання такої кількості сполук натрію в приготованих та перероблених харчових продуктах насторожило деяких лікарів та дієтологів. Вони стверджують, що пересічна людина споживає занадто багато натрію зі свого раціону. Середній людині потрібно лише близько 500 мг натрію щодня; більшість людей споживають більше цього - до 10 разів більше. Деякі дослідження передбачають збільшення споживання натрію з високим кров'яним тиском; новіші дослідження показують, що посилання сумнівне. Однак було поштовхом зменшити кількість натрію, який більшість людей приймають щодня: уникайте оброблених та виготовлених харчових продуктів, читайте етикетки на упакованих харчових продуктах (які містять зазначення вмісту натрію), не пересолюйте їжу та використовуйте інші зелень та спеції крім солі у кулінарії.

Харчові етикетки містять кількість натрію на порцію. Ця конкретна етикетка показує, що в одній порції цього конкретного продукту є 75 мг натрію.