Йонни връзки и закон на Кулон

Йонните връзки са връзките, които задържат йонните съединения в едно. Те задържат катионите и анионите. Пример за едно съединение, което се държи в едно чрез йонни връзки, е натриевият хлорид, познат също като трапезна сол. Тук имаме изображение в близък план на кристали натриев хлорид. Това е нещо, което можеш да изпробваш у дома. Можеш да вземеш каквато трапезна сол имаш, да я разтвориш в малко вода, а после да оставиш водата бавно да се изпари. И ако имаш късмет, може да получиш красиви симетрични кристали като тези. Поне лично за мен създаването на красиви кристали е едно от най-забавните неща в химията. Можем да видиш, когато разгледаме увеличените форми на тези кристали, че те имат красива симетрия. Тази симетрия ни казва малко за структурата на тези съединения на молекулно ниво. Ако увеличим тези кристали, можем да си представим... Всъщност не е нужно да си представяме – можеш да разгледаш тези неща с различни инструменти, като рентгенова кристалография, и можеш да погледнеш кристалната решетка, и да получиш информация за това как различните йони са подредени в твърдите вещества. Начинът, по който йоните са подредени, определя много неща за свойствата на тези съединения. Йонните връзки и подредбата на йоните ни казва много за разтворимостта на съединението. Разтворимост. И други свойства като точки на топене или на кипене. Както и това колко твърдо е даденото йонно твърдо вещество. Йонните връзки тук, в натриевия хлорид, са тези, които задържат натриевите и хлорните йони заедно. Натрий + и хлор -. А силата на една йонна връзка е свързана с електростатичната сила. Електростатичната сила между тях. Ще съкратя електростатична сила като Fе. Това е силата между две заредени вещества. И е равна на константа k, по двата заряда, които си взаимодействат, делено на разстоянието между двата заряда на квадрат. Тук q1 и q2 са зарядите, а при натриевия хлорид например q1 и q2 ще са... q1 може да е 1+ от нашия натриев йон, а q2 може да е 1- от нашия хлорен йон. И можем също да сменим местата на тези двете. Можем да кажем, че хлоридът е q1, а натрият е q2, като това няма да промени онова, което ще получим от уравнението. И после r на квадрат е разстоянието между йоните, като обикновено го изчисляваме приблизително, като казваме, че е сборът от йонните радиуси за двата йона, които разгледаме. Можем да използваме закона на Кулон, за да обясним някои свойства, които са свързани със силата на йонните връзки. И примерът, през който ще преминем днес, ще е този за точката на топене. Ще разгледаме някои модели за точка на топене и ще опитаме да ги свържем с различните променливи на закона на Кулон. Първите две съединения, които ще сравним, са натриев флуорид и магнезиев оксид. Натриевият флуорид има точка на топене от 993 градуса по Целзий, а магнезиевият оксид има точка на топене от 2852 градуса по Целзий. Друга информация, която знаем за тези две съединения: ако разгледаш йонните радиуси, оказва се, че при натриевия флуорид разстоянието между йоните е същото като при магнезиевия оксид. Те не са точно еднакви, но са доста близки, така че ако кажем, че r е приблизително еднакво за тези двете, тогава можем да обясним разликата в точките на топене, като използваме зарядите. След като точката на топене показва колко енергия трябва да добавиш към тези съединения, за да разделиш йоните, очакваме точката на топене да се покачи, да се увеличи с увеличаването на Fe. Докато силата между йоните се увеличава, бихме очаквали да трябва да добавим повече енергия, за да разделим тези йони. И можем да видим това в първия пример. Ако погледнем зарядите на йоните в магнезиевия оксид, магнезият е 2+, а оксидът е 2-. В натриевия флуорид натрият е 1+, а флуоридът е 1-. Като приемем, че r е почти същото, бихме очаквали това q1*q2 да е 4 пъти по-голямо за магнезиевия оксид, отколкото за натриевия флуорид. Произведението на q1 и q2 е по-високо за магнезиевия оксид, а именно заради това очакваме точката на топене да е по-висока. Можем да разгледаме натриевия хлорид в сравнение с натриевия флуорид. В този случай нека разгледаме, не знам, може би това е малко изкуствено, но да кажем следното: точката на топене на натриевия хлорид е 801 градуса по Целзий. А точката на топене на натриевия флуорид е, както казахме по-рано, 993 градуса по Целзий. Зарядите на йоните ни са същите, q1 и q2 са 1+ за натрия в двете съединения и -1 за хлорида и флуорида. q1*q2 не се променя за тези две съединения, но след като променихме аниона от флуорид до хлорид, увеличихме r тук, а увеличаването на r в знаменателя намалява електростатичната сила. Друг начин да отбележим това е, че след като r намалява, докато преминаваме от натриев хлорид до натриев флуорид, точката на топене се повишава. Във всяка от тези двойки съединението, което има по-висока точка на топене, е това, което също има по-високи електростатични сили, като това е или понеже зарядите са по-високи, q1 и q2 са по-високи, или понеже разстоянието между йоните е намаляло. Това са някои примери за това как можем да свържем свойствата на йонните съединения с електростатичната сила, като използваме закона на Кулон, между катиона и аниона.