2.6 Jóna- og sameindasambönd

2.6 Jóna- og sameindaefni

Í venjulegum efnahvörfum helst kjarni hverrar frumeindar (og þar með auðkenni frumefnisins) óbreyttur. Rafeindir geta hins vegar bæst við frumeindir með flutningi frá öðrum frumeindum, tapast með flutningi til annarra frumeinda eða verið deilt með öðrum frumeindum. Flutningur og deiling rafeinda milli frumeinda ræður efnafræði frumefnanna. Við myndun sumra efnasambanda taka frumeindir til sín eða gefa frá sér rafeindir og mynda rafhlaðnar agnir sem kallast jónir (mynd 2.28).

Hægt er að nota lotukerfið til að spá fyrir um hvort frumeind myndi anjón eða katjón, og oft má einnig spá fyrir um hleðslu þeirrar jónar sem verður til. Frumeindir margra málma í aðalflokkum tapa nægilega mörgum rafeindum til að sitja eftir með sama fjölda rafeinda og frumeind næsta eðalgass á undan. Til dæmis tapar frumeind alkalímálms (flokkur 1) einni rafeind og myndar katjón með 1+ hleðslu, jarðalkalímálmur (flokkur 2) tapar tveimur rafeindum og myndar katjón með 2+ hleðslu, og svo framvegis. Sem dæmi má nefna að óhlaðin kalsíumfrumeind, með 20 róteindir og 20 rafeindir, tapar auðveldlega tveimur rafeindum. Það skilar katjón með 20 róteindir, 18 rafeindir og 2+ hleðslu. Hún hefur sama fjölda rafeinda og frumeindir næsta eðalgass á undan, argons, og er táknuð með Ca²⁺. Heiti málmjónar er það sama og heiti málmfrumeindarinnar sem hún myndast úr, og því kallast Ca²⁺ kalsíumjón.

Þegar frumeindir málmleysingja mynda jónir taka þær almennt til sín nægilega margar rafeindir til að fá sama fjölda rafeinda og frumeind næsta eðalgass á eftir í lotukerfinu. Frumeindir í flokki 17 taka til sín eina rafeind og mynda anjónir með 1− hleðslu, frumeindir í flokki 16 taka til sín tvær rafeindir og mynda jónir með 2− hleðslu, og svo framvegis. Sem dæmi má nefna að óhlaðin brómfrumeind, með 35 róteindir og 35 rafeindir, getur tekið til sín eina rafeind og fengið þannig 36 rafeindir. Það skilar anjón með 35 róteindir, 36 rafeindir og 1− hleðslu. Hún hefur sama fjölda rafeinda og frumeindir næsta eðalgass, kryptons, og er táknuð með Br⁻. (Fjallað er nánar um kenninguna sem skýrir hagstæða stöðu rafeindafjölda eðalgasa, sem endurspeglast í þessum spárreglum um jónamyndun, í síðari kafla þessarar bókar.)

Takið eftir hve gagnlegt lotukerfið er við að spá fyrir um líklega jónamyndun og hleðslu (mynd 2.29). Þegar farið er frá vinstri til hægri í lotukerfinu hafa frumefni í aðalflokkum tilhneigingu til að mynda katjónir með hleðslu sem jafngildir flokksnúmerinu. Þannig mynda frumefni í flokki 1 1+ jónir, frumefni í flokki 2 mynda 2+ jónir, og svo framvegis. Þegar farið er frá hægri til vinstri í lotukerfinu mynda frumefni oft anjónir með neikvæða hleðslu sem jafngildir fjölda flokka sem færst er til vinstri frá eðalgösunum. Til dæmis mynda frumefni í flokki 17 (einn flokkur til vinstri frá eðalgösum) 1− jónir, frumefni í flokki 16 (tveir flokkar til vinstri) mynda 2− jónir, og svo framvegis. Þessa tilhneigingu má nota sem viðmið í mörgum tilfellum, en forspárgildi hennar minnkar þegar nær dregur miðju lotukerfisins. Hliðarmálmar og sumir aðrir málmar sýna nefnilega oft breytilegar hleðslur sem ekki verður spáð fyrir um út frá staðsetningu þeirra í kerfinu. Þannig getur kopar myndað jónir með 1+ eða 2+ hleðslu og járn getur myndað jónir með 2+ eða 3+ hleðslu.

Jónirnar sem við höfum rætt hingað til kallast einatóma jónir, það er að segja jónir sem myndast úr aðeins einni frumeind. Til eru einnig margar fjölatóma jónir. Þessar jónir, sem virka sem sjálfstæðar einingar, eru rafhlaðnar sameindir (hópur tengdra frumeinda með heildarhleðslu). Nokkrar af mikilvægustu fjölatóma jónunum eru taldar upp í töflu 2.5. Oxóanjónir eru fjölatóma jónir sem innihalda eina eða fleiri súrefnisfrumeindir. Á þessu stigi í efnafræðinámi þínu ættir þú að læra utan að heiti, formúlur og hleðslur algengustu fjölatóma jónanna. Þar sem þær koma oft fyrir muntu fljótt venjast þeim.

Athugið að til er kerfi við að nefna sumar fjölatóma jónir: -at og -ít eru viðskeyti sem tákna fjölatóma jónir með fleiri eða færri súrefnisfrumeindum. Per- (stytting á „hýper“) og hýpó- (sem þýðir „undir“) eru forskeyti sem merkja fleiri súrefnisfrumeindir en -at og færri súrefnisfrumeindir en -ít. Til dæmis er perklórat ${\mathrm{Cl}{\mathrm{O}}_4}^{-}$ klórat ${\mathrm{Cl}{\mathrm{O}}_3}^{-}$ klórít ${\mathrm{Cl}{\mathrm{O}}_2}^{-}$ og hýpóklórít ClO⁻. Því miður er fjöldi súrefnisfrumeinda sem samsvarar tilteknu viðskeyti eða forskeyti ekki alltaf sá sami; nítrat er til dæmis ${\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3}^{-}$ en súlfat er ${\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4}^{2-}$ Fjallað verður nánar um þetta í næsta kafla um nafnakerfi.

Eðli aðdráttarkraftanna sem halda frumeindum eða jónum saman í efnasambandi er grundvöllur flokkunar efnatengja. Þegar rafeindir færast á milli og jónir myndast verða til jónatengi. Jónatengi eru rafstöðuaðdráttarkraftar, það er að segja aðdráttarkraftar sem verka á milli hluta með andstæða rafhleðslu (í þessu tilviki katjóna og anjóna). Þegar rafeindum er „deilt“ og sameindir myndast verða til samgild tengi. Samgild tengi eru aðdráttarkraftar milli jákvætt hlaðinna kjarna tengdra frumeinda og eins eða fleiri rafeindapara sem eru staðsett milli frumeindanna. Efnasambönd flokkast sem jóna- eða sameindaefni (samgild) eftir því hvers konar tengi eru í þeim.

Jónaefni

Þegar frumefni sem er gert úr frumeindum sem auðveldlega tapa rafeindum (málmur) hvarfast við frumefni sem er gert úr frumeindum sem auðveldlega taka til sín rafeindir (málmleysingi) verður yfirleitt rafeindaflutningur sem myndar jónir. Efnasambandið sem myndast við þennan flutning verður stöðugt vegna rafstöðuaðdráttar (jónatengja) milli andstætt hlaðinna jóna í efnasambandinu. Þegar til dæmis hver natríumfrumeind í sýni af natríummálmi (flokkur 1) gefur frá sér eina rafeind og myndar natríumkatjón, Na⁺, og hver klórfrumeind í sýni af klórgasi (flokkur 17) tekur til sín eina rafeind og myndar klóríðanjón, Cl⁻, er efnasambandið sem myndast, NaCl, gert úr natríumjónum og klóríðjónum í hlutfallinu ein Na⁺ jón á móti hverri Cl⁻ jón. Á sama hátt getur hver kalsíumfrumeind (flokkur 2) gefið frá sér tvær rafeindir og flutt eina til hvorrar af tveimur klórfrumeindum og myndað CaCl₂, sem er gert úr Ca²⁺ og Cl⁻ jónum í hlutfallinu ein Ca²⁺ jón á móti tveimur Cl⁻ jónum.

Efnasamband sem inniheldur jónir og helst saman með jónatengjum kallast jónaefni. Lotukerfið getur hjálpað okkur að þekkja mörg þau efnasambönd sem eru jónaefni: þegar málmur sameinast einum eða fleiri málmleysingjum er efnasambandið yfirleitt jónaefni. Þessi þumalputtaregla dugar vel til að spá fyrir um myndun jónaefna í flestum þeim tilfellum sem koma fyrir í inngangsnámskeiði í efnafræði. Hún á þó ekki alltaf við (til dæmis er álklóríð, AlCl₃, ekki jónaefni).

Oft má þekkja jónaefni á eiginleikum þeirra. Jónaefni eru föst efni sem bráðna yfirleitt við hátt hitastig og sjóða við enn hærra hitastig. Natríumklóríð bráðnar til dæmis við 801 °C og sýður við 1413 °C. (Til samanburðar bráðnar sameindaefnið vatn við 0 °C og sýður við 100 °C.) Á föstu formi leiðir jónaefni ekki rafmagn vegna þess að jónir þess geta ekki flætt um („rafmagn“ er flæði hlaðinna agna). Þegar það er bráðið getur það hins vegar leitt rafmagn vegna þess að jónirnar geta hreyfst frjálslega um vökvann (mynd 2.30).

Í hverju jónaefni er heildarfjöldi jákvæðra hleðslna katjóna jafn heildarfjölda neikvæðra hleðslna anjóna. Því eru jónaefni í heild rafhlutlaus, þótt þau innihaldi bæði jákvæðar og neikvæðar jónir. Þessa staðreynd má nýta til að skrifa formúlu jónaefnis. Formúla jónaefnis verður að sýna það hlutfall jóna sem gerir fjölda jákvæðra og neikvæðra hleðslna jafnan.

Dæmi 2.10

Að spá fyrir um formúlu jónaefnis

Gimsteinninn safír (mynd 2.31) er að mestu leyti efnasamband áls og súrefnis sem inniheldur álkatjónir, Al³⁺, og súrefnisanjónir, O²⁻. Hver er formúla þessa efnasambands?

Lausn

Þar sem jónaefnið verður að vera rafhlutlaust þarf það að hafa jafnmargar jákvæðar og neikvæðar hleðslur. Tvær áljónir, hvor með hleðsluna 3+, gefa sex jákvæðar hleðslur, og þrjár oxíðjónir, hvor með hleðsluna 2−, gefa sex neikvæðar hleðslur. Formúlan væri Al₂O₃.

Prófaðu þig

Spáðu fyrir um formúlu jónaefnisins sem myndast úr natríumkatjóninni, Na⁺, og súlfíðanjónarinnar, S²⁻.

Mörg jónaefni innihalda fjölatóma jónir (tafla 2.5) sem katjón, anjón eða hvort tveggja. Líkt og einföld jónaefni verða þessi efnasambönd einnig að vera rafhlutlaus, og því má spá fyrir um formúlur þeirra með því að meðhöndla fjölatóma jónirnar sem stakar einingar. Við notum sviga í formúlu til að afmarka hóp frumeinda sem hegðar sér sem ein eining. Formúlan fyrir kalsíumfosfat, eitt af steinefnum beina okkar, er til dæmis Ca₃(PO₄)₂. Þessi formúla gefur til kynna að þrjár kalsíumjónir (Ca²⁺) komi á móti hverjum tveimur fosfat $({\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4}^{3-}$ hópum. ${\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4}^{3-}$ hóparnir eru stakar einingar, hver gerður úr einni fosfórfrumeind og fjórum súrefnisfrumeindum, og hafa heildarhleðsluna 3−. Efnasambandið er rafhlutlaust og formúla þess sýnir alls þrjár Ca-, tvær P- og átta O-frumeindir.

Þar sem jónaefni er ekki gert úr stökum, aðskildum sameindum er ekki hægt að tákna það á réttan hátt með sameindaformúlu. Þess í stað verður að tákna jónaefni með formúlu sem sýnir hlutfallslegan fjölda þeirra jóna sem það er gert úr. Fyrir efnasambönd sem innihalda aðeins einatóma jónir (eins og NaCl) og mörg efnasambönd með fjölatóma jónum (eins og CaSO₄) eru þessar formúlur einfaldlega reynsluformúlurnar sem kynntar voru fyrr í þessum kafla. Formúlur sumra jónaefna sem innihalda fjölatóma jónir eru þó ekki reynsluformúlur. Jónaefnið natríumoxalat er til dæmis gert úr Na⁺ og ${{\mathrm{C}}_2{\mathrm{O}}_4}^{2-}$ jónum í hlutföllunum 2:1 og formúla þess er rituð Na₂C₂O₄. Lágvísarnir í þessari formúlu eru ekki minnstu mögulegu heiltölur, því deila má báðum með 2 og fá reynsluformúluna NaCO₂. Hún er þó ekki viðurkennd formúla fyrir natríumoxalat, því hún endurspeglar ekki rétt fjölatóma anjón efnasambandsins, ${{\mathrm{C}}_2{\mathrm{O}}_4}^{2-}$

Sameindaefni

Mörg efnasambönd innihalda ekki jónir heldur eru gerð eingöngu úr stökum, hlutlausum sameindum. Þessi sameindaefni (samgild efnasambönd) myndast þegar frumeindir deila rafeindum í stað þess að flytja þær á milli sín (taka til sín eða gefa frá sér). Samgild tengi eru mikilvægt og viðamikið hugtak í efnafræði og um þau verður fjallað nánar í síðari kafla þessarar bókar. Sameindaefni má oft þekkja á eðlisfræðilegum eiginleikum þeirra. Við venjulegar aðstæður eru sameindaefni oftast lofttegundir, vökvar með lágt suðumark eða föst efni með lágt bræðslumark, þótt margar mikilvægar undantekningar séu til.

Eins og jónaefni myndast venjulega þegar málmur og málmleysingi sameinast, myndast samgild efnasambönd yfirleitt þegar málmleysingjar sameinast. Lotukerfið getur því hjálpað okkur að þekkja mörg þau efnasambönd sem eru samgild. Þótt nota megi staðsetningu frumefna efnasambands í lotukerfinu til að spá fyrir um hvort það sé jónaefni eða samgilt efnasamband á þessu stigi í efnafræðináminu er rétt að hafa í huga að þetta er mjög einfölduð nálgun sem tekur ekki tillit til fjölda áhugaverðra undantekninga. Á milli jónaefna og sameindaefna er grátt svæði sem þú munt kynnast nánar síðar.