מסמך זה מלמד מבנה2.1, המודל האיוני, לקורס שנבחן לראשונה בשנת2025. כל התוכן הוא ברמת SL וגם HL.
תנאי קבלה: קונפיגורציות אלקטרונים ומחלקות הטבלה המחזורית ממבנה1.3. תשתמשו בערכי האנתלפיה הרשתית מהספר הנתונים.
מבנה 2.1 · המודל האיוני
IB Diploma Programme · IB Diploma · Chemistry · SL · נושא 6
6.1
היקף ותנאי מקדימים
6.2
יונים ומטעניהם
מדוע מלח מוליך חשמל רק כאשר הוא נוזלי?
הכנס שני אלקטרודות לתוך מלח שולחן מוצק ואין זורם חשמל. להמיס את המלח או לפרק אותו במים, והוא מוליך מיד. לא הוספה שום חומר: אותם חלקיקים נמצאים שם. ה-מודל האיוני מסביר זאת באמצעות רעיון אחד: המלח עשוי מחלקיות טעונות שנעוצות במקומן במצב המוצק וחופשיות להזיז במצב הנוזלי.
כיצד נוצרים יונים
יון הוא אטום או קבוצת אטומים עם מטען חשמלי. אטומים יוצרים יונים על ידי איבוד או רכישה של אלקטרונים עד שהם מגיעים לסידור יציב, בדרך כלל הקונפיגורציה של גז אציל.
- אטומי מתכת אובדים אלקטרונים ויוצרים יונים חיוביים, המכונים קטיונים. נתרן, $[\text{Ne}]\,3\text{s}^1$, מאבד אלקטרון אחד ויוצר $\text{Na}^{+}$, $[\text{Ne}]$.
- אטומי לא-מתכת רוכשים אלקטרונים ויוצרים יונים שליליים, המכונים אניונים. כלור, $[\text{Ne}]\,3\text{s}^2\,3\text{p}^5$, רוכש אלקטרון אחד ויוצר $\text{Cl}^{-}$, $[\text{Ar}]$.
ברכב איוני האלקטרונים שאבד המתכת הם האלקטרונים שהרוכשה הלא-מתכת, ולכן המטען הכולל הוא אפס.
חזוי את המטען לפי המחלקה
לאלמנטים מקבוצה ראשית, מספר הקבוצה מצביע על המטען:
| קבוצה | 1 | 2 | 13 | 15 | 16 | 17 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| אלקטרונים שאבדו או נרכשו | אובד 1 | אובד 2 | אובד 3 | נרכשו 3 | נרכשו 2 | נרכשו 1 |
| מטען יוני | $+1$ | $+2$ | $+3$ | $-3$ | $-2$ | $-1$ |
| דוגמה | $\text{Li}^{+}$ | $\text{Mg}^{2+}$ | $\text{Al}^{3+}$ | $\text{N}^{3-}$ | $\text{O}^{2-}$ | $\text{F}^{-}$ |
אלמנטים מעבר יכולים ליצור יונים עם מטענים שונים, ולכן השם מציין את המטען כמספר רומי: ברזל(II) הוא $\text{Fe}^{2+}$ וברזל(III) הוא $\text{Fe}^{3+}$; נחושת(I) היא $\text{Cu}^{+}$ ונחושת(II) היא $\text{Cu}^{2+}$.
יונים פוליאטומיים
יון פוליאטומי הוא קבוצת אטומים הקשורים זה לזה בקשר קוולנטי ושואפת מטען כללי. למדו אותם:
| יון | נוסחה | יון | נוסחה |
|---|---|---|---|
| אמוניום | $\text{NH}_4^{+}$ | קרבונט | $\text{CO}_3^{2-}$ |
| הידרוקסיד | $\text{OH}^{-}$ | הידרוגננקרבונט | $\text{HCO}_3^{-}$ |
| ניטרט | $\text{NO}_3^{-}$ | סולפט | $\text{SO}_4^{2-}$ |
| פוספט | $\text{PO}_4^{3-}$ |
6.3
קשר יוני, נוסחות ושמות
הקשר האיוני
קשר יוני הוא משיכה אלקטרוסטטית בין יונים בעלי מטענים הפוכים. המשיכה פועלת בכל כיוון, כך שכל יון מושך את כל היונים בעלי המטען ההפוך הסובבים אותו, ולא רק שותף אחד.
קשר יוני מתרחש בין אלמנטים עם הפרש גדול ב-חשמליות: בדרך כלל מתכת משמאל בטבלה המחזורית ואל-מתכת מימין. ככל שההפרש גדול יותר, כך הקשר יותר יוני. (מבנה 2.4 מראה את הקשר כמעט, לא כשלושה תיבות נפרדות.)
כתיבת הנוסחה
הנוסחה מציגה את היחס הפשוט ביותר של יונים שמייצר מטען כולל של אפס.
- כתבו את שני היונים עם המטענים שלהם.
- מצאו את המספרים הקטנים ביותר של כל אחד כדי שהמטענים יסכמו לאפס.
- כתוב את היחס באמצעות תת-מספרים. הנח יון רב-אטומי בסוגריים אם נדרשים יותר מאחד.
| יונים | איזון | נוסחה | שם |
|---|---|---|---|
| $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+1) + 1 \times (-1) = 0$ | NaCl | נתרן כלוריד |
| $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cl}^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{MgCl}_2$ | מגנזיום כלוריד |
| $\text{Al}^{3+}$, $\text{O}^{2-}$ | $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ | $\text{Al}_2\text{O}_3$ | אלומיניום אוקסיד |
| $\text{Ca}^{2+}$, $\text{NO}_3^{-}$ | $1 \times (+2) + 2 \times (-1) = 0$ | $\text{Ca(NO}_3)_2$ | סידן ניטרט |
| $\text{NH}_4^{+}$, $\text{SO}_4^{2-}$ | $2 \times (+1) + 1 \times (-2) = 0$ | $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ | אמोनיום גופריתאט |
שמה של תרכובות יוניות
שם קצת בראש, ואז אניון. אניון פשוט מסתיים ב-ide: כלוריד, אוקסיד, ניטריד, סולפיד. יון רב-אטומי שומר על שמו: גופריתאט, ניטרט. ציין מטען מתכת מעבר במספר רומאי: $\text{FeCl}_3$ הוא ברזל(III) כלוריד.
6.4
רשתות יוניות ואנתלפי רשתה
רשת תלת-ממדית ענקית
תרכובות יוניות אינן יוצרות מולקולות. היונים ערוכים בסדר משושה וחוזר הנקרא רשת. הנוסחה NaCl מייצגת רק את היחס בין יונים, 1 : 1, ולא מולקולה.
בענף כלוריד נתרן, כל יון $\text{Na}^{+}$ מוקף שישה יוני $\text{Cl}^{-}$, וכל יון $\text{Cl}^{-}$ מוקף שישה יוני $\text{Na}^{+}$.
אנתלפי רשתה מדדת את חוזק הקשר
אנתלפי הרשתה היא השינוי באנתלפיה כאשר מול אחד של תרכובת יונית מוצקה מפורק ליונים גזיים:
$$\text{NaCl}(\text{s}) \rightarrow \text{Na}^{+}(\text{g}) + \text{Cl}^{-}(\text{g}) \qquad \Delta H_{\text{lattice}} = +790\ \text{kJ mol}^{-1}$$
שבירת המשיכה תמיד דורשת אנרגיה, ולכן אנתלפי הרשתה היא תמיד חיובית (אנדותרמית). ערך גדול יותר מצביע על קשר יוני חזק יותר.
שני גורמים קובעים את גודלה, מכיוון שהמשיכה בין שני יונים חזקה יותר כשהמטענים גדולים יותר והיונים קרובים זה לזה:
- מטען יוני: מטענים גדולים מושכים חזק יותר, ולכן אנתלפי הרשתה גדולה יותר.
- רדיוס יוני: יונים קטנים יותר נמצאים קרובים זה לזה, ולכן האנתלפיה של רשת גבוהה יותר.
| תרכובת | יונים | אנתלפיית רשת / $\text{kJ mol}^{-1}$ | סיבה |
|---|---|---|---|
| KCl | $\text{K}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 720 | $\text{K}^{+}$ גדול מ-$\text{Na}^{+}$ |
| NaCl | $\text{Na}^{+}$, $\text{Cl}^{-}$ | 790 | ייחוס |
| NaF | $\text{Na}^{+}$, $\text{F}^{-}$ | 930 | $\text{F}^{-}$ קטן מ-$\text{Cl}^{-}$ |
| MgO | $\text{Mg}^{2+}$, $\text{O}^{2-}$ | 3791 | שני המטענים הוכפלו |
דוגמה פותרת. הסבר מדוע מגנזיום חומצה (MgO) נמס ב-$2852\ ^{\circ}\text{C}$ בעוד נתרן כלוריד (NaCl) נמס ב-$801\ ^{\circ}\text{C}$.
שתי התרכובות הן רשתות יוניות ענק, ולכן ההמסה דורשת גישור על כוחות אלקטרוסטטיים בין יונים. $\text{Mg}^{2+}$ ו-$\text{O}^{2-}$ נושאים מטען כפול ביחס ל-$\text{Na}^{+}$ ו-$\text{Cl}^{-}$, והם גם קטנים יותר. לכן הכוח המשיך בין היונים חזק הרבה יותר, האנתלפייה של הרשת גדולה משמעותית (3791 לעומת $790\ \text{kJ mol}^{-1}$), ונדרש יותר אנרגיה להפרדת היונים.
מילון מונחים
אימון
| English | עברית |
|---|---|
| ionic model/aɪˈɒnɪk ˈmɒdl/ | מודל יוני |
| ion/ˈaɪɒn/ | יון |
| cation/ˈkætaɪən/ | קטיון |
| anion/ˈænaɪən/ | אניון |
| transition element/trænˈsɪʃn ˈelɪmənt/ | אלמנט מעבר |
| polyatomic ion | יון רב-אטומי |
| ionic bond/aɪˈɒnɪk bɒnd/ | קשר יוני |
| electrostatic attraction/ɪˌlektrəʊˈstætɪk əˈtrækʃn/ | משיכה אלקטרוסטטית |
| electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ | שליליות חשמלית |
| lattice/ˈlætɪs/ | סריג |
| lattice enthalpy | אנתלפייה של רשת |
| volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ | התנדדותיות |
6.5
תכונות תרכובות יוניות
הסבר תכונות מהמבנה
כדי להסיר כל תכונה, יש לציין את המבנה, את החלקיקים, את הכוחות ביניהם, ואת קיומן של חלקיקים טעונים ניידים.
| תכונה | התנהגות אופיינית | הסבר |
|---|---|---|
| נקודת התכה ואידוי | גבוהה; נדיפות נמוכה | יש לגשר על מספר רב של כוחות אלקטרוסטטיים חזקים ברשת ענק |
| מוליכות חשמלית | אין כחומר מוצק; מוליך כאשר נמס או בממיס | יונים מקובעים במוצק; הם יכולים לנוע ונשא מטען כאשר נמסים או מתמוססים |
| התמסות | לעיתים קרובות נמס במים, לא נמס בממסים לא-קוטביים כמו הקסאן | מולקולות מים קוטביות מושכות ומקיפות את היונים; מולקולות לא-קוטביות אינן יכולות לעשות זאת |
| שבירות | מתפוררת בפגיעה | פגיעה מזיזה שכבה כך שמטענים זהים נמצאים מול מטענים זהים וגורמים לדחייה |
שימו לב שתרכובת יונית מוליכה חשמלית על ידי יונים נעים, ולא על ידי אלקטרונים נעים. אלקטרוליזה של מלח מותך מאשר זאת: היונים נעים אל האלקטרודות ומתפרקים שם.
השתמשו בתבנית של עדויות
מאפיין אחד בלבד נדיר שמוכיח מבנה. מוצק קוולנטי ענק כמו סיליקון דיאוקסיד בעל גם הוא נקודת היתוך גבוהה מאוד, וחלק מחומרים מולקולריים פשוטים מתמיסים במים. חפשו את התבנית המלאה: נקודת היתוך גבוהה, וגם אי-הולכה כמצוק, וגם הולכה כאשר מותך.
דוגמה מופרזת. חומר X נמס ב-$801\ ^{\circ}\text{C}$, אינו מוליך כמצוק, מוליך כאשר מותך, ומתמיס במים. חומר Y נמס ב-$60\ ^{\circ}\text{C}$ ואינו מוליך כמצוק או כנוזל. איזה מהם יוני?
X תואם לכל חלק בתבנית היונית: נקודת היתוך גבוהה הנובעת מקשרים חזקים ברשת, והולכה רק כאשר היונים חופשים לזוז. Y לא תואם: נקודת ההיתוך הנמוכה והעדר ההולכה מצביעים על חומר מולקולרי פשוט עם כוחות חלשים בין מולקולות ניטרליות.
חקור
Salt conducts when its ions can move
Compare solid, molten and dissolved NaCl. The same ions can be held at lattice sites or mobile; reversing the field changes their drift, not their charge.
6.6
תרגול
- נתנו את המטען על היון שנוצר על ידי: (א) אשלגן, (ב) גופרית, (ג) אלומיניום, (ד) חנקן.
- כתוב את הנוסחאות של: (א) קלציום פלואוריד, (ב) נתרן חמצני, (ג) אלומיניום סולפט, (ד) ברזל(III) הידרוקסיד, (ה) אמוניום קרבונט.
- קרא שמות: (א) $\text{K}_2\text{S}$, (ב) $\text{Mg}_3\text{N}_2$, (ג) $\text{CuSO}_4$ (נחושת היא $+2$), (ד) $\text{NaHCO}_3$.
- כתבו את המשוואה להנרטיית רשת של קלציום אוקסיד, כולל סימני מצבים.
- סדר את אלו בשיעור עולה של אנטלפי רשת והסבר: NaCl, CaO, KBr.
- הסבירו מדוע נתרן כלור מוליך חשמל כאשר מתמיס במים אך לא כאשר הוא מוצק.
- הסבירו מדוע גביש יוני מתפורר כאשר נופץ בפטיץ.
תשובות.
- (a) $+1$, (b) $-2$, (c) $+3$, (d) $-3$.
- (a) $\text{CaF}_2$, (b) $\text{Na}_2\text{O}$, (c) $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$, (d) $\text{Fe(OH)}_3$, (e) $(\text{NH}_4)_2\text{CO}_3$.
- (א) אשלגן גופריתיד, (ב) מגנזיום ניטריד, (ג) נחושת(II) סולפט, (ד) נתרן הידרוגנפוספט.
- $\text{CaO}(\text{s}) \rightarrow \text{Ca}^{2+}(\text{g}) + \text{O}^{2-}(\text{g})$
- KBr < NaCl < CaO. ל-KBr יש את היונים הגדולים ביותר עם מטענים יחידים, ולכן הקשר החזק ביותר. ל-CaO יש יונים $2+$ ו-$2-$, ולכן הקשר החזק ביותר בהרבה.
- במצב המוצק היונים מוחזקים במקומות קבועים ברשת. בממס היונים חופשים לזוז, ולכן הם יכולים לשאת מטען דרך הנוזל.
- הפגיעה מזיזה שכבת אחת של יונים במיקום אחד. יונים בעלי אותו מטען נמצאים אז ליד זה, הם דוחים זה את זה, והגביש נסדק לאורך אותה מישור.
6.7
טיפים לבחינות
- הגדירו קשר יוני כ"משיכה אלקטרוסטטית בין יונים טעונים בניגוד". "העברת אלקטרונים" מתארת כיצד יונים נוצרים, ולא את הקשר עצמו.
- נוסחה יונית היא יחס: לעולם אל תקראו ל-NaCl מולקולה.
- תרכובות יוניות מוליכות על ידי יונים ניידים, לעולם לא על ידי "אלקטרונים חופשיים".
- עבור אנרגיית רשת, השוו מטען קודם, ואז רדיוס, ואמרו ששניהם משנים את המשיכה האלקטרוסטטית.
- כתוב את אנטלפי הסריג כמעבר המוצק לאיונים גזיים, עם ערך חיובי.
- שים סוגריים סביב יון רב-אטומי כאשר יש צורך בשני או יותר ממנו: $\text{Ca(OH)}_2$, ולא $\text{CaOH}_2$.