7.1 Jónatengi

Eins og þú hefur lært eru jónir frumeindir eða sameindir sem bera rafhleðslu. Katjón (jákvæð jón) myndast þegar hlutlaus frumeind tapar einni eða fleiri rafeindum úr gildishvolfi sínu. Anjón (neikvæð jón) myndast hins vegar þegar hlutlaus frumeind bætir við sig einni eða fleiri rafeindum í gildishvolf sitt.

Efnasambönd sem samanstanda af jónum kallast jónaefni (eða sölt), og þeim jónum sem mynda þau er haldið saman af jónatengjum, þ.e. rafstöðukröftum milli gagnstætt hlaðinna katjóna og anjóna. Eiginleikar jónaefna varpa ljósi á eðli jónatengja. Jónaefni á föstu formi hafa kristalbyggingu og eru gjarnan stíf og stökk. Þau hafa jafnframt tilhneigingu til að hafa hátt bræðslumark og suðumark, sem bendir til þess að jónatengi séu mjög sterk. Föst jónaefni leiða rafmagn illa af sömu ástæðu — styrkur jónatengjanna kemur í veg fyrir að jónirnar geti hreyfst frjálslega í fasta ástandinu. Flest föst jónaefni leysast þó auðveldlega upp í vatni. Þegar jónaefni eru leyst upp eða bráðin eru þau frábærir raf- og varmaleiðarar vegna þess að jónirnar geta þá hreyfst frjálslega.

Hlutlausar frumeindir og samsvarandi jónir þeirra hafa gerólíka eðlis- og efnaeiginleika. Natríumfrumeindir mynda natríummálm, mjúkan, silfurhvítan málm sem brennur kröftuglega í lofti og hvarfast með sprengingu við vatn. Klórfrumeindir mynda klórgas, Cl₂, gulgræna lofttegund sem er mjög tærandi fyrir flesta málma og baneitruð dýrum og plöntum. Kröftugt efnahvarf milli frumefnanna natríums og klórs myndar hvíta, kristallaða efnasambandið natríumklóríð (venjulegt matarsalt), sem inniheldur natríumkatjónir og klóríðanjónir (mynd 7.2). Efnasambandið sem samanstendur af þessum jónum sýnir eiginleika sem eru gjörólíkir eiginleikum frumefnanna natríums og klórs. Klór er eitrað en natríumklóríð er lífsnauðsynlegt; natríumfrumeindir hvarfast kröftuglega við vatn en natríumklóríð leysist einfaldlega upp í vatni.

Myndun jónaefna

Tvíundarjónaefni samanstanda af aðeins tveimur frumefnum: málmi (sem myndar katjónirnar) og málmleysingja (sem myndar anjónirnar). NaCl er til dæmis slíkt jónaefni. Hugsa má um myndun slíkra efnasambanda út frá lotubundnum eiginleikum frumefnanna. Mörg málmfrumefni hafa tiltölulega lága jónunarorku og tapa rafeindum auðveldlega. Þau liggja til vinstri í lotu eða nærri botni flokks í lotukerfinu. Frumeindir málmleysingja hafa hins vegar tiltölulega háa rafeindafíkn og taka því auðveldlega til sín þær rafeindir sem málmfrumeindirnar tapa, og fylla þannig gildishvolf sín. Málmleysingja er að finna í efra hægra horni lotukerfisins.

Þar sem öll efni verða að vera rafhlutlaus verður heildarfjöldi jákvæðra hleðslna á katjónum jónaefnis að vera jafn heildarfjölda neikvæðra hleðslna á anjónum þess. Formúla jónaefnis sýnir einfaldasta hlutfall þess fjölda jóna sem þarf til þess að jákvæðu og neikvæðu hleðslurnar séu jafnmargar. Formúlan fyrir áloxíð, Al₂O₃, gefur til dæmis til kynna að þetta jónaefni innihaldi tvær álkatjónir, Al³⁺, fyrir hverjar þrjár oxíðanjónir, O²⁻ [þannig er (2 × +3) + (3 × –2) = 0].

Mikilvægt er þó að hafa í huga að formúla jónaefnis sýnir ekki raunverulega uppröðun jóna þess. Rangt er að tala um „sameind“ natríumklóríðs (NaCl), enda er ekkert eitt stakt jónatengi til staðar sem slíkt milli neins ákveðins pars natríum- og klóríðjóna. Aðdráttarkraftarnir milli jóna eru jafnsæknir (ísótrópískir) — þeir sömu í allar áttir — sem þýðir að sérhver jón dregst jafnt að öllum nálægum jónum með gagnstæða hleðslu. Þetta leiðir til þess að jónirnar raða sér í þéttbundna, þrívíða grindarbyggingu. Natríumklóríð er til dæmis sett saman úr reglulegri uppröðun jafnmargra Na⁺-katjóna og Cl⁻-anjóna (mynd 7.3).

Hinn sterki rafstöðuaðdráttur milli Na⁺- og Cl⁻-jóna heldur þeim þétt saman í föstu NaCl. Það þarf 769 kJ af orku til að kljúfa eitt mól af föstu NaCl í aðskildar Na⁺- og Cl⁻-jónir á gasfasa:

Rafeindabygging katjóna

Við myndun katjónar hefur frumeind aðalflokksfrumefnis tilhneigingu til að tapa öllum gildisrafeindum sínum og fá þannig sömu rafeindabyggingu og eðalgasið sem á undan henni kemur í lotukerfinu. Í flokkum 1 (alkalímálmunum) og 2 (jarðalkalímálmunum) er flokksnúmerið jafnt fjölda gildisrafeinda og þar af leiðandi jafnt hleðslu þeirra katjóna sem myndast úr frumeindum þessara frumefna þegar allar gildisrafeindir eru fjarlægðar. Kalsíum er til dæmis frumefni í flokki 2; hlutlausar frumeindir þess hafa 20 rafeindir og rafeindaskipan grunnástands er 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s². Þegar Ca-frumeind tapar báðum gildisrafeindum sínum myndast katjón með 18 rafeindir, hleðsluna 2+ og rafeindaskipanina 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. Ca²⁺-jónin er því samrafeind eðalgasinu Ar.

Í flokkum 13–17 eru flokksnúmerin 10 hærri en fjöldi gildisrafeinda (sem tekur mið af möguleikanum á fullum d-undirhvolfum hjá frumeindum frumefna í fjórðu lotu og ofar). Hleðsla þeirrar katjónar sem myndast við tap allra gildisrafeinda er því jöfn flokksnúmerinu að frádregnum 10. Ál (í flokki 13) myndar til dæmis 3+ jónir (Al³⁺).

Undantekningar frá þessari hegðun eiga við um frumefni nærri botni flokkanna. Auk hinna væntu jóna Tl³⁺, Sn⁴⁺, Pb⁴⁺ og Bi⁵⁺ getur hlutatap á gildisrafeindum þessara frumeinda einnig leitt til myndunar Tl⁺, Sn²⁺, Pb²⁺ og Bi³⁺ jóna. Myndun þessara 1+, 2+ og 3+ katjóna er rakin til áhrifa trega rafeindaparsins, sem endurspegla tiltölulega lága orku s-gildisrafeindaparsins hjá frumeindum þungu frumefnanna í flokkum 13, 14 og 15. Kvikasilfur (flokkur 12) sýnir einnig óvænta hegðun: það myndar tvíatóma jón, Hg₂²⁺ (jón sem myndast úr tveimur kvikasilfursfrumeindum með Hg-Hg tengi), auk hinnar væntu einatóma jónar Hg²⁺ (sem myndast úr aðeins einni kvikasilfursfrumeind).

Hliðarmálmar og innri hliðarmálmar hegða sér öðruvísi en frumefni í aðalflokkum. Flestar katjónir hliðarmálma hafa hleðsluna 2+ eða 3+, sem stafar af því að ystu s-rafeindirnar tapast fyrst og í kjölfarið tapast stundum ein eða tvær d-rafeindir úr næstystu hvelunum. Járn (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²) myndar til dæmis jónina Fe²⁺ (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶) með því að tapa 4s-rafeindunum og jónina Fe³⁺ (1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵) með því að tapa 4s-rafeindunum og einni 3d-rafeind. Þótt d-svigrúm hliðarmálma séu — samkvæmt uppbyggingarreglunni — þau síðustu sem fyllast við uppbyggingu rafeindaskipanar, eru ystu s-rafeindirnar þær fyrstu sem tapast þegar þessar frumeindir jónast. Þegar innri hliðarmálmar mynda jónir hafa þeir venjulega hleðsluna 3+, sem stafar af tapi á ystu s-rafeindum þeirra og einni d- eða f-rafeind.

Rafeindaskipan anjóna

Flestar einatóma anjónir myndast þegar hlutlaus málmleysingjafrumeind tekur til sín nægilega margar rafeindir til að fylla ytri s- og p-svigrúm sín að fullu og fær þannig sömu rafeindaskipan og næsta eðalgas. Því er einfalt að ákvarða hleðslu slíkrar neikvæðrar jónar: hleðslan er jöfn fjölda þeirra rafeinda sem þarf til að fylla s- og p-svigrúm upprunalegu frumeindarinnar. Súrefni hefur til dæmis rafeindaskipanina 1s² 2s² 2p⁴ en súrefnisanjónin hefur rafeindaskipan eðalgassins neons (Ne), 1s² 2s² 2p⁶. Þær tvær viðbótarrafeindir sem þarf til að fylla gildissvigrúmin gefa oxíðjóninni hleðsluna 2– (O²⁻).