1. Czym w ogóle jest wiązanie chemiczne ?

Wiązanie chemiczne to siła, która trzyma atomy razem. Wspaniale byłoby w prosty i przystępny sposób wytłumaczyć dlaczego w ogóle atomy chcą się ze sobą łączyć. Jednak to [dokładne] wyjaśnienie wymaga zagłębiania się w obliczeniach z zakresu mechaniki kwantowej oraz termodynamiki^[1].

2. Wiązanie jonowe = połączenie metal + niemetal ?

Wiązanie jonowe typowo występuje pomiędzy metalem, a niemetalem, można zatem powiedzieć, że to połączenie lewej strony układu okresowego z prawą. Ustaliliśmy już, że metale miały tendencję do utraty elektronu, natomiast niemetale chciały je przyłączać.  Modelowym przykładem takiego związku, gdzie mamy wiązanie jonowe jest chlorek sodu : NaCl.                                           

Efektem takiej utraty oraz przyjęcia elektronu jest powstanie odpowiednio kationu (+) oraz anionu (−), a przecież przeciwne ładunki się przyciągają i to właśnie jest definicja wiązania jonowego. Jest to zatem zwykłe przyciąganie elektrostatyczne.

Esencją wiązania jonowego jest zatem transfer (przeniesienie) elektronu z jednego atomu (który chce się tego elektronu pozbyć) na drugi atom (który z kolei chętnie by go przyjął). 

Zastanówmy się, czy jeśli jeden kation połączy się z jednym anionem, to czy na tym koniec? Czy nie da się przyłączyć do tego kolejnego kationu i anionu (z odpowiedniej strony oczywiście)? Oczywiście, że się da!

A pamiętajmy, że świat jest trójwymiarowy, zatem możemy przyłączyć wiele, wiele kolejnych kationów oraz anionów, tworząc trójwymiarową sieć krystaliczną. Poniżej rysunek z uwzględnieniem dopiero dwóch wymiarów (osie x oraz y ) : wyobraź sobie, że na tej warstwie leży kolejna warstwa (jak kanapka) i kolejna (jak super kanapka!), i tak dalej, tworząc ostatecznie trójwymiarową sieć – sieć krystaliczną.   

To dość szokująca wiadomość − zwykle podczas nauki myślimy o chlorku sodu jak o zwyczajnym związku NaCl, w którym istnieje tradycyjne wiązanie między jednym atomem sodu, a atomem chloru, co można by też przedstawić taką poziomą kreską :  Na―Cl  . Ale jest to nieprawidłowy zapis, ponieważ sugeruje dzielenie się elektronami (jak zobaczysz w następnym poście o wiązaniach kowalencyjnych). A w wiązaniu jonowym mamy przeniesienie elektronu^[2] z jednego atomu na drugi.

3. Budowa związków jonowych, czyli małe domki dla cząsteczek

Związki jonowe występują w postaci tak zwanych sieci krystalicznych! Sieć krystaliczna to dość skomplikowana struktura, która może przybierać różne kształty.

Sieć krystaliczną możemy przyrównać do mieszkania − każdy ma inne, mniej lub bardziej skomplikowane. Ale wszystkie mieszkania są złożone z pojedynczych cegieł, najprostszego, najmniejszego elementu, z którego zbudujemy dom jeśli tylko użyjemy odpowiednią ich ilość oraz odpowiednio je ze sobą połączymy.

Taka cegła nazywałaby się komórką elementarną − najprostszym, najmniejszym fragmentem sieci krystalicznej, z której ułożymy całą tą sieć (wystarczy dokładać kolejne cegły = komórki elementarne).

Tak wygląda komórka elementarna dla (typu) NaCl^[3].  Kreski pomiędzy atomami nie oznaczają wiązań, mają tylko Tobie pomóc zobaczyć trójwymiarowy kształt całej struktury. Uwaga − nie trzeba umieć tego narysować, chyba że szykujesz się do Olimpiady Chemicznej.

Cała sieć krystaliczna jest zbudowana z wielu, wielu takich komórek! W przypadku komórki typu NaCl komórka elementarna ma kształt sześcianu (o długości  a  , którą nazywamy parametrem komórki).

Objętość takiej jednej komórki elementarnej wynosi zatem V = a³ . Oczywiście ze względu na mikro−skalę używamy tutaj nieco innych jednostek, z czego najpowszechniej używanymi są pikometry (1 pm = 10^ー12) oraz angstremy (Å = 10^ー10 m). 

4. Kiedy w cząsteczce będziemy mieć wiązanie jonowe ?

Kluczowe, praktycznie pytanie. Posłużymy się tutaj elektroujemnością, którą poznaliśmy w poprzednim wpisie.

Wiązanie jonowe rozpoznajemy wtedy, kiedy różnica elektroujemności pomiędzy dwoma atomami będzie większa lub równa 1,7.

To jest tak naprawdę słabiutka metoda przewidywania typu wiązania^[4], ale musi nam wystarczyć.

Kilka rzeczy wartych uwagi :

➦ Nie ma znaczenia czy jest wiązanie pojedyncze czy podwójne: mamy po prostu wiązanie jednego atomu z drugim = nie wpływa to w żaden sposób na obliczenia.

➦ Nie ma znaczenia z iloma się spotykasz takimi samymi atomami łączy się inny atom, bo zawsze oceniamy rodzaj (typ) jednego wiązania, a więc pomiędzy jednym i drugim atomem = również nie wpływa to w żaden sposób na obliczenia.

➦ Różnicę elektroujemności obliczamy zawsze tak, aby była ona dodatnia (lub inaczej mówiąc, weź sobie zawsze z wyniku wartość bezwzględną). Czyli np. jak w kwasie siarkowym jak ogarnialiśmy wiązanie SーO to liczyliśmy (3,5 − 2,5 = 1), a nie (2,5 − 3,5 = − 1).

➦ Można się jeszcze przyczepić, że w tym związku z węglem zapisałem wiązanie OーNa , które jest jonowe (a więc nie można tego tak robić). Masz rację, ale po pierwsze jest to zadanie treningowe, więc musiałem tak zrobić, bo inaczej od razu to wiązanie byś rozpoznał. Po drugie w chemii organicznej taki zapis jest dopuszczalny.

^[1] O kurde, że takie trudne słowa Cię nie odstraszyły, to szanuję! W wielkim skrócie, wiązania chemiczne tworzą się, ponieważ powoduje to obniżenie energii potencjalnej naładowanych cząstek, które tworzą atom. Jak już wiemy, atomy składają się między innymi z dodatnio naładowanych cząstek (protony w jądrze atomowym) oraz ujemnych (elektrony). Kiedy dwa atomy się do siebie zbliżają, to elektrony ulegają przyciąganiu przez jądro drugiego atomu (i odwrotnie). W tym samym czasie jednak elektrony odpychają się wzajemnie od siebie, podobnie jak dwa jądra się wzajemnie odpychają. Można powiedzieć, że atomy szukają złotego środka, takiej odległości w której siły przyciągania są maksymalnie, a siły odpychania minimalne. Tą odległość też pewnie znasz − jest to długość wiązania.  

To wszystko składa się na cały zestaw wielu przeciwstawnych (odwrotnych) oddziaływań − przyciągania i odpychania. Jeśli całość spowoduje, że nastąpi obniżenie energii potencjalnej pomiędzy naładowanymi cząstkami, to wówczas stworzy się wiązanie chemiczne. Poniżej jest schematyczny rysunek, który przedstawia te zależności.  

Zauważ, że w środkowym przykładzie atomy są tak blisko, że aż dodatnie jądra zaczęły się odpychać.

^[2] W rzeczywistości nie istnieje wiązanie perfekcyjnie jonowe. Każde wiązanie ma chociaż trochę charakteru kowalencyjnego, ale na maturalne potrzeby będziemy o tym ,,zapominać” i z dobrym przybliżeniem zakładać, że wiązanie są czysto jonowe.

^[3] Jest oczywiście szereg innych komórek elementarnych (np. typu CsCl , typu ZnS, CaF₂ ), a cały dział, który się tym (między innymi) zajmuje nazywa się krystalografią.

^[4] Będzie tutaj całkiem sporo wyjątków, to po pierwsze. Po drugie granica akurat 1,7 jest wzięta z du… Śmiało znajdziecie źródła, gdzie ta granica dla wiązania jonowego wynosi dwa. Po drugie, nasze wartości elektroujemności, które macie w układzie okresowym CKE pochodzą ze skali Paulinga, a to nie jest jedyna skala, która istnieje. Mamy też np. elektroujemność wg. Mullikena czy Alfreda-Rochowa. Jak zwykle okazuje się, że temat nie jest taki banalny.