پیوند یونی: نیروی قدرتمند پشت شکلگیری نمکها
از اتم ناپایدار تا یون پایدار
همه اتمها دوست دارند مانند گازهای نجیب، لایه آخر الکترونی خود را پر کنند تا به حالت پایدار برسند. اتمهای فلزات معمولاً تعداد کمی الکترون در لایه آخر دارند. آنها ترجیح میدهند این الکترونها را از دست بدهند تا به آرایش گاز نجیب قبل از خود برسند. در مقابل، اتمهای نافلزات، کمبود الکترون دارند و دوست دارند الکترون بگیرند تا لایه آخر خود را کامل کنند و شبیه گاز نجیب بعد از خود شوند.
مثلاً اتم سدیم (Na) با شماره اتمی 11، یک الکترون در لایه آخر دارد. اگر این یک الکترون را از دست بدهد، به آرایش گاز نجیب نئون (با 10 الکترون) میرسد. اتم کلر (Cl) با شماره اتمی 17، هفت الکترون در لایه آخر دارد و برای کامل کردن آن (به ۸ الکترون) فقط نیاز به یک الکترون دارد تا شبیه آرگون شود.
جاذبه الکترواستاتیک، آغاز یک پیوند
حالا ما یک کاتیون مثبت ($Na^+$) و یک آنیون منفی ($Cl^-$) داریم. بارهای مخالف همدیگر را جذب میکنند. این جاذبه قوی بین بارهای مثبت و منفی، پیوند یونی را تشکیل میدهد. حاصل این پیوند، یک ترکیب خنثی به نام کلرید سدیم یا همان نمک خوراکی با فرمول $NaCl$ است.
این فرآیند را میتوان به شکل زیر خلاصه کرد:
$Na \rightarrow Na^+ + e^-$ (از دست دادن الکترون توسط سدیم)
$Cl + e^- \rightarrow Cl^-$ (گرفتن الکترون توسط کلر)
$Na^+ + Cl^- \rightarrow NaCl$ (تشکیل پیوند یونی)
| ترکیب یونی | فلز (کاتیون) | نافلز (آنیون) | مثال کاربردی |
|---|---|---|---|
| $NaCl$ | سدیم ($Na^+$) | کلر ($Cl^-$) | نمک طعام، چاشنی و نگهدارنده غذا |
| $CaCO_3$ | کلسیم ($Ca^{2+}$) | کربنات ($CO_3^{2-}$) | سنگ آهک، گچ، جذب کننده اسید در خاک |
| $KBr$ | پتاسیم ($K^+$) | برم ($Br^-$) | داروهای آرامبخش، عکاسی قدیمی |
پیوند یونی در زندگی: از آشپزخانه تا داروخانه
شاید فکر کنید پیوند یونی فقط در کتابهای شیمی وجود دارد، اما نمونههای ملموس زیادی از آن در اطراف ما هست:
نمک طعام ($NaCl$): معروفترین مثال است. این نمک از پیوند یونی بین یون سدیم و یون کلر به وجود آمده. استحکام این پیوند باعث میشود نمک در دمای اتاق جامد باشد و برای ذوب شدن به حرارت بسیار بالایی (بیش از 800 درجه سانتیگراد) نیاز داشته باشد.
جوش شیرین ($NaHCO_3$): این پودر سفید که در پخت کیک از آن استفاده میکنیم، یک ترکیب یونی است. وقتی با مایعات اسیدی مانند دوغ یا آبلیمو مخلوط میشود، گاز دیاکسید کربن تولید میکند که باعث پف کردن خمیر میشود.
آنتیاسید معده: بسیاری از داروهای رایج برای سوزش معده، مانند شیر منیزیوم، حاوی ترکیبات یونی مثل هیدروکسید منیزیم ($Mg(OH)_2$) هستند. این ترکیبات با اسید اضافه معده واکنش داده و آن را خنثی میکنند.
ویژگیهای بارز ترکیبات یونی
موادی که با پیوند یونی ساخته میشوند، به دلیل ماهیت قوی این پیوند، چند ویژگی مشترک و جالب دارند:
۱. نقطه ذوب و جوش بالا: برای شکستن پیوندهای قوی بین یونها در شبکه بلوری، انرژی گرمایی زیادی لازم است. به همین دلیل نمک و بسیاری از ترکیبات یونی دیگر در دمای معمولی جامد و بسیار دیرذوب هستند.
۲. رسانایی الکتریکی: این مواد در حالت جامد، رسانای خوبی برای برق نیستند چون یونها در جای خود ثابتند. اما وقتی ذوب میشوند یا در آب حل میشوند، یونها آزادانه حرکت میکنند و میتوانند جریان برق را عبور دهند. این آزمایش سادهای است که در آزمایشگاه انجام میشود.
۳. حلالیت در آب: بسیاری از ترکیبات یونی (مانند نمک) در آب حل میشوند. مولکولهای آب قطبی هستند و میتوانند با احاطه کردن یونها، آنها را از شبکه بلوری جدا کنند.
۴. شکنندگی: جامدات یونی در مقابل ضربه شکننده هستند. زیرا با وارد شدن نیرو، لایههای یونها جابجا شده و بارهای همنام روبروی هم قرار میگیرند که یکدیگر را دفع میکنند و باعث شکستگی میشوند.
سوالات رایج درباره پیوند یونی
پاسخ: بله، اصل کلی همین است. اما گاهی گروهی از اتمها با هم یک یون چنداتمی (مانند کربنات $CO_3^{2-}$) تشکیل میدهند که این یون چنداتمی میتواند با یک فلز (مانند کلسیم) پیوند یونی تشکیل دهد و ترکیبی مثل $CaCO_3$ (سنگ آهک) را به وجود آورد.
پاسخ: به دلیل نظم در جاذبه. یونهای مثبت و منفی در الگوی بسیار منظم و تکرارشوندهای کنار هم قرار میگیرند تا بیشترین جاذبه و کمترین دافعه را داشته باشند. این آرایش منظم، یک ساختار شبکهای بزرگ به نام شبکه بلوری5 ایجاد میکند که در نهایت به شکل کریستالهای مکعبی (در مورد نمک) دیده میشود.
پاسخ: خیر. آب ($H_2O$) از پیوند کووالانسی بین اتمهای نافلز اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است. در پیوند کووالانسی، اتمها الکترونها را به اشتراک میگذارند، نه اینکه آنها را کامل منتقل کنند. بنابراین مولکول آب از نظر بار الکتریکی خنثی است و یون آزاد در آن وجود ندارد (مگر وقتی مواد یونی در آن حل شوند).
پاورقی
1پیوند یونی (Ionic Bond): نوعی نیروی جاذبهی قوی که بین یونهای با بار مخالف (کاتیون و آنیون) به وجود میآید.
2یون (Ion): ذرهای اتمی یا گروهی از اتمها که در نتیجه از دست دادن یا گرفتن الکترون، دارای بار الکتریکی مثبت یا منفی شده است.
3کاتیون (Cation): یونی با بار الکتریکی مثبت که در نتیجه از دست دادن الکترون توسط یک اتم فلز تشکیل میشود.
4آنیون (Anion): یونی با بار الکتریکی منفی که در نتیجه گرفتن الکترون توسط یک اتم نافلز تشکیل میشود.
5شبکه بلوری (Crystal Lattice): آرایش منظم و سهبعدی ذرات (اتمها، مولکولها یا یونها) در یک جامد بلوری.
