Główna zawartość

Chemia - program rozszerzony

Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 1

Lekcja 2: Związki i jony

Nazewnictwo jonów i związków jonowych

Naucz się nazywać jednoatomowe jony i złożone z nich związki, przewidywać ładunki tych jonów oraz tworzyć wzory związków jonowych.

Atomy są elektrycznie obojętne, ponieważ liczba protonów (których ładunek wynosi

1

+

) w jądrze atomu jest taka sama jak liczba elektronów (których ładunek wynosi

1

-

) w atomie. W rezultacie, dodatni ładunek protonów równoważy ujemny ładunek elektronów, i sumaryczny ładunek atomu wynosi

0

. Jednakże, większość atomów ma zdolność przyjmowania lub oddawania elektronów; w wyniku czego liczba elektronów staje się różna od liczby protonów w jądrze. Taka, obdarzona ładunkiem, drobina zwana jest jonem.

Kationy i aniony

Kiedy obojętny atom traci jeden lub więcej elektronów, ilość wszystkich elektronów atomu spada, podczas gdy liczba protonów w jądrze pozostaje bez zmian. W rezultacie atom staje się kationem — jonem z sumarycznym ładunkiem dodatnim.

Odwrotne zjawisko również może mieć miejsce. Gdy obojętny atom przyjmuje jeden lub więcej elektronów, liczba elektronów atomu rośnie, podczas gdy liczba protonów w jądrze pozostaje bez zmian. W rezultacie atom staje się anionem — jonem z sumarycznym ładunkiem ujemnym. Możemy to sobie wyobrazić, przyglądając się dwóm prostym przykładom kationu i anionu, utworzonym przez utratę i przyjęcie elektronu przez pojedynczy atom wodoru.

Uwaga: Wodór jest nietypowy, ponieważ bez trudu przyjmuje obie formy jonów: kationu i anionu. Większość pierwiastków zdecydowanie preferuje tworzenie tylko jednej formy. Czy potrafisz wytłumaczyć dlaczego wodór potrafi przyjmować postać obojga-i kationu, i anionu, z punktu widzenia konfiguracji elektronowej? Śmiało, zostaw swoją odpowiedź w komentarzach pod artykułem!

	$H^{+}$ ‍	$H$ ‍	$H^{-}$ ‍
Kategoria	kation	obojętny atom	anion
Liczba protonów	$1$ ‍	$1$ ‍	$1$ ‍
Liczba elektronów	$0$ ‍	$1$ ‍	$2$ ‍
Ładunek całkowity	$1$ ‍ $+$ ‍	$0$ ‍	$1$ ‍ $-$ ‍

Jeśli obojętny atom wodoru ( $H$ ‍, pośrodku) straci elektron, staje się kationem wodorowym ( $H^{+}$ ‍, po lewej). Jeżeli natomiast obojętny atom $H$ ‍ zyska elektron, staje się anionem ( $H^{-}$ ‍, po prawej), znanym też jako jon wodorkowy. Obraz: zaadaptowany z Boundless Learning, CC BY-SA 4.0.

W środkowej kolumnie mamy diagram przedstawiający pojedynczy, obojętny atom wodoru. Zawiera on jeden proton i jeden elektron, mając tym samym sumaryczny ładunek równy zero. Jeśli atom wodoru straci swój elektron, utworzy kation

H^{+}

(lewa kolumna). Kation ten posiada sumaryczny ładunek 1+, gdyż nie ma elektronu, który by zrównoważył ładunek dodatni pochodzący od jednego protonu jądra. Jeśli z kolei neutralny atom wodoru zyska jeden elektron, utworzy anion

H^{-}

(prawa kolumna). Anion ten posiada sumaryczny ładunek 1-, gdyż posiada dodatkowy elektron w stosunku do całkowitej liczby protonów.

Sprawdzenie: Pewien jon posiada 20 protonów i 18 elektronów. Jakim pierwiastkiem jest ten jon i ile wynosi jego sumaryczny ładunek?

[Pokaż odpowiedź.]

Przewidywanie ładunków jednoatomowych kationów i anionów

Czy wiesz, że możesz użyć układu okresowego do przewidywania ładunków niektórych pierwiastków po ich jonizacji? Jest to bardzo wygodne i potężne narzędzie, tak więc warto je omówić bardziej szczegółowo. Poniższy rysunek przedstawia powszechnie występujące ładunki dla pierwiastków z ośmiu głównych grup układu okresowego. Pamiętaj, że grupy odnoszą się do kolumn układu okresowego, podczas gdy rzędy określane są mianem okresów. Miej na uwadze, że te ładunki mają zastosowanie tylko kiedy te pierwiastki występują w związkach jonowych, gdyż związki kowalencyjne nie zawierają jonów.

[Jaka jest różnica pomiędzy związkami kowalencyjnymi, a jonowymi?]

Jako ogólna zasada, pierwiastki z głównych grup będą zazwyczaj zyskiwać bądź tracić tyle elektronów aby uzyskać pełen oktet elektronów walencyjnych. Dzięki określeniu ile elektronów pierwiastek może zyskać lub stracić aby uzyskać pełen oktet elektronów walencyjnych, jesteśmy w stanie przewidzieć ładunek jego jonu. Aby to zrobić należy najpierw znać ilość elektronów walencyjnych neutralnego atomu.

Wskazówka: Liczba elektronów walencyjnych neutralnego pierwiastka jest równa liczbie $j e d n o ś c i$ ‍ w numerze grupy w której się znajduje.

Pierwiastki tworzące kationy

W przypadku grup 1, 2, 13 i 14, pierwiastki mają od jednego do czterech elektronów walencyjnych i w większości przypadków będą one oddawać te elektrony aby stać się jonami. Tak powstały jon posiada mniej elektronów niż protonów, więc jego sumaryczny ładunek jest dodatni. Węgiel jest czasami wyjątkiem od tej reguły, gdyż może on również przyjąć cztery elektrony tworząc anion

C^{4 -}

. Wartość ładunku jest równa ilości utraconych elektronów, która z kolei jest równa ilości elektronów walencyjnych neutralnego atomu.

Przykładowo, co potrzeba zrobić jakbyśmy chcieli przewidzieć ładunek jonu glinu? Glin jest w grupie 13 lub IIIA. Ponieważ numer grupy

13

ma liczbę

3

w miejscu

j e d n o ś c i

, możemy przewidzieć, że ładunek wyniesie

3

+

dając jon

{Al}^{3 +}

. Możemy również pomyśleć o neutralnym atomie glinu tracącym swoje 3 atomy walencyjne aby stać się jonem

{Al}^{3 +}

, mającym pełen oktet.

[Czy ma to związek z konfiguracją elektronową?]

Pierwiastki tworzące aniony

W przypadku grup 15 – 17, ładunek jonu jest zwykle ujemny, gdyż te pierwiastki są bardziej skłonne przyjąć elektrony niż je tracić. Ładunek jonu jest więc równy liczbie elektronów przyjętych w celu uzyskania pełnego oktetu elektronów walencyjnych. Jesteśmy w stanie obliczyć matematycznie wartość ładunku poprzez odjęcie od ośmiu liczby elektronów walencyjnych neutralnego pierwiastka. Możemy również użyć układu okresowego aby policzyć ile kolumn w prawo należy się przesunąć aby dojść do gazów szlachetnych, czyli grupy 18, gdzie każde przesunięcie odpowiada jednemu elektronowi przyjętemu w celu uzyskania pełnego oktetu.

Jeśli użyjemy tych wytycznych do przewidzenia ładunku jonu siarki, będącego w grupie 16, możemy przewidzieć, że wartość ładunku będzie równa

8 - 6 = 2

, gdyż siarka posiada sześć elektronów walencyjnych. Liczbę elektronów walencyjnych możemy również przewidzieć sprawdzając numer grupy do której należy siarka, czyli grupy 16, mającej

6

w miejscu

j e d n o ś c i

. Oznacza to, że neutralny atom siarki potrzebuje przyjąć dwa elektrony aby uzyskać pełen oktet elektronów walencyjnych. Możemy więc przewidzieć, że najczęściej jon siarki będzie posiadał ładunek 2-.

Sprawdzenie wiadomości: Jaki związek jonowy powstanie twoim zdaniem w reakcji metalicznego potasu z ciekłym bromem?

[Pokaż odpowiedź.]

Nazewnictwo kationów

Teraz kiedy wiemy, że wiele powszechnie występujących pierwiastków przyjmuje możliwe do przewidzenia ładunki, zastanówmy się jak nazwać te jony. Na początek przyjrzymy się metalom alkalicznym — pierwiastkom grupy 1 układu okresowego. Z powyższego obrazka widzimy, że metale alkaliczne zwykle tworzą kationy o ładunku 1+. Są to więc kationy

H^{+}

{Li}^{+}

{Na}^{+}

K^{+}

, itd. Nie ma żadnej specjalnej reguły nazywania tego typu kationów. Na przykład możemy odnieść się do kationu wodorowego,

H^{+}

, zwyczajnie nazywając go "

H

-plus" lub "jonem wodorowym". Podobnie, jon sodu,

{Na}^{+}

, można nazwać "

Na

-plus" lub najczęściej "kationem sodu". Zauważ, że nie ma potrzeby mówić "jedno-dodatni kation sodu", gdyż wiadomo, że jon sodu posiada zwykle ładunek równy 1+.

Ta sama logika tyczy się wszystkich pierwiastków typowo tworzących kationy o konkretnym ładunku. Przykładowo, metale ziem alkalicznych, z grupy 2, tworzą kationy o ładunku 2+:

{Be}^{2 +}

{Mg}^{2 +}

{Ca}^{2 +}

, itd. Mimo że często odnosimy się do jonu, jak

{Mg}^{2 +}

jako "

Mg

-dwa plus", możemy również zwyczajnie powiedzieć "kation magnezu", gdyż wiadomym jest jaki ładunek posiada jon magnezu.

Uwaga: Wiadomości w tej sekcji dotyczą głównie nazewnictwa osobnych kationów. Sposób nazewnictwa będzie nieco inny kiedy kation taki będzie częścią związku jonowego. Nazewnictwo związków jonowych zostanie omówione poniżej w osobnym rozdziale.

Pierwiastki tworzące wiele typów kationów

Do tej pory rozważaliśmy pierwiastki, tworzące zazwyczaj kationy o konkretnym ładunku. Przykładowo, metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych tworzyły odpowiednio jony 1+ i 2+. Większość metali przejściowych, jednakże, może tworzyć kationy o różnych ładunkach. Dlatego właśnie blok d układu okresowego z powyższego obrazka został oznaczony jako "wiele ładunków". Żelazo chociażby, jest często spotykane zarówno jako

{Fe}^{2 +}

jak i

{Fe}^{3 +}

, a czasami nawet mające inne ładunki. Stąd żelazo jest poliwalentny, co dosłownie oznacza "wielowartościowy" — ma możliwość tworzenia kationów o różnych ładunkach.

Chrom tworzy zwykle związki jako ${Cr}^{2 +}$ ‍ oraz ${Cr}^{3 +}$ ‍. Chlorek chromu (II), po lewej, jest szarozielonym ciałem stałym o znacząco różnych właściwościach i reaktywności w porównaniu do chlorku chromu (III), fioletowego ciała stałego po prawej stronie. Dlatego też ważne jest aby dokładnie określić o którym związku mówimy! Źródło grafiki: Maria Sanford.

W przypadku metali poliwalentnych musimy zawsze podać wartość ładunku jonu. Przykładowo, musimy nazwać

{Fe}^{2 +}

"żelazo dwa" lub "żelazo dwa-plus", gdyż zwykłe "kation żelaza" nie zawiera wystarczająco informacji do określenia konkretnego kationu. Większość metali przejściowych — metali znajdujących się w środkowym bloku d układu okresowego — jest poliwalentna. Z tego względu, że mogą one tworzyć kationy o różnych ładunkach, ich ładunki muszą zostać podane podczas ich nazywania oraz podczas nazywania związków zawierających te jony.

W związkach jonowych wielkość ładunku kationu metalu przejściowego jest zwykle podawana przy użyciu cyfr rzymskich w nawiasach po nazwie metalu, na przykład dla chlorku chromu (II), który zawiera

{C r}^{2 +}

. Nazewnictwo związków jonowych zawierających kationy metali przejściowych zostanie omówione bardziej szczegółowo w oddzielnej sekcji tego artykułu.

Nazewnictwo jednoatomowych anionów

Nazwy jednoatomowych anionów w języku polskim są zdrobnieniem od nazwy neutralnego atomu z drobną różnicą w zależności czy nazywamy pojedynczy anion czy związek jonowy. Nazywając pojedynczy anion, po słowie jon lub anion określimy jaki to pierwiastek. Z kolei kiedy jednoatomowy anion jest częścią związku jonowego, w jego nazwie przyjmie jedynie końcówkę -ek. Przykładowo, atom chloru po przyjęciu elektronu utworzy jon chlorkowy, a jego związek z sodem to chlorek sodu. W obu przypadkach nie ma potrzeby podawania ładunku anionu, gdyż można go przewidzieć na podstawie układu okresowego. Poniższa tabela przedstawia nazewnictwo anionów różnych pierwiastków:

Pierwiastek	Nazwa jonu	Wzór jonu
Wodór	Wodore	$H^{-}$ ‍
Chlor	Chlorek	${Cl}^{-}$ ‍
Brom	Bromek	${Br}^{-}$ ‍
Jod	Jodek	$I^{-}$ ‍
Tlen	Tlenek	$O^{2 -}$ ‍
Siarka	Siarczek	$S^{2 -}$ ‍
Azot	Azotek	$N^{3 -}$ ‍
Fosfor	Fosforek	$P^{3 -}$ ‍
Węgiel	Węglik	$C^{4 -}$ ‍

Wzory i nazewnictwo prostych związków jonowych

Teraz kiedy znamy sposoby nazewnictwa kationów i anionów, możemy omówić jak się to ma do nazewnictwa prostych związków jonowych utworzonych z jednoatomowych jonów. Poniższe wskazówki można wykorzystać do nazywania związków jonowych:

W nazwie związku jonowego, odwrotnie do jego wzoru chemicznego, nazwa anionu (z końcówką -ek) jest zawsze podawana na początku.
Nazwa kationu ma zawsze formę, jakby odpowiadała na pytanie "czego" jest to kation. Nie ma potrzeby podawania w nazwie sława "jon", a ładunek jonu podaje się wyłącznie w przypadku kationów poliwalentnych (patrz: Przykład 2 poniżej).
Sumaryczny ładunek każdego związku jonowego jest równy zero. Mówiąc inaczej, kationy i aniony będą zawsze łączyć się w taki sposób aby ich ładunki się znosiły.
Liczba kationów i anionów we wzorze powinna być zapisana zawsze jako możliwie najmniejsza wartość. Przykładowo, wzór chemiczny chlorku sodu to $NaCl$ ‍, a nie ${Na}_{2} {Cl}_{2}$ ‍ czy inna wielokrotność $NaCl$ ‍, nawet jeśli w każdym z tych przypadków ładunki będą się znosić.

Przećwiczmy to na kilku przykładach:

Przykład 1: Utworzenie wzoru chemicznego znając nazwę

Jaki jest wzór chemiczny chlorku potasu?

Pamiętamy, że potas jest pierwiastkiem z 1 grupy i tworzy kation o ładunku 1+. Chlorek, jak wskazuje nazwa, jest jonem utworzonym z atomu chloru. Skoro chlor leży w grupie 17, będzie tworzyć aniony o ładunku 1-. Ponieważ ich ładunki równe wartością i przeciwne znakiem, na każdy kation

K^{+}

przypadać będzie jeden anion

{Cl}^{-}

, a wzór chemiczny będzie mieć postać

KCl

. Pamiętaj, że indeksy dolne nie są używane, gdy w związku istnieje tylko jeden atom/jon danego typu.

Przykład 2: Utworzenie nazwy znając wzór chemiczny

Jak brzmi nazwa związku jonowego o wzorze ${Mg}_{3} P_{2}$ ‍?

Magnez,

Mg

, jest pierwiastkiem grupy 2, tworzącym kationy o ładunku 2+. Jest to kation, więc jego nazwa odpowiada na pytanie "czego" jest to kation — "magnezu". Ponieważ tworzy on tylko kationy jednego typu, nie potrzeba określać jego ładunku w nazwie. Fosfor,

P

, jest pierwiastkiem grupy 15, tworzącym aniony o ładunku 3-. Ponieważ jest to anion, jego nazwa w związku ma końcówkę -ek — "fosforek". Pamiętamy, że w nazwie związku jonowego, odwrotnie niż we wzorze, podajemy najpierw anion, a potem kation. Stąd nazwa tego związku brzmi fosforek magnezu.

Nazewnictwo związków jonowych zawierających kationy poliwalentne

Wspominaliśmy wcześniej, że jeśli pierwiastek może tworzyć więcej niż jeden typ kationu, należy podać w nazwie jego ładunek. Wielkość ładunku kationów metali przejściowych jest zwykle oznaczana cyfrą rzymską w nawiasie po nazwie metalu — nazywaną również nazwą systematyczną jonu. Poniższa tabela przedstawia niektóre najczęściej spotykane jony metali poliwalentnych wraz z ich nazwami systematycznymi. Niektóre z jonów mają również podaną ich nazwę zwyczajową (potoczną). Nazwy zwyczajowe są obecnie uznawane za przestarzałe, lecz są też czasem używane więc warto je także znać. Zauważ, że jony o mniejszym ładunku przyjmują w nazwie potocznej końcówkę -awy, a jony o ładunku większym końcówkę -owy. Przykładowo, chlorek żelazawy (

{FeCl}_{2}

) posiada jony

{Fe}^{2 +}

, podczas gdy chlorek żelazowy jest rozumiany jako zawierający jony

{Fe}^{3 +}

Pierwiastek	Popularne jony	Nazwa systematyczna	Nazwa zwyczajowa (potoczna)
Chrom	${Cr}^{2 +}$ ‍	chrom (II)	chromawy
	${Cr}^{3 +}$ ‍	chrom(III)	chromowy
Kobalt	${Co}^{2 +}$ ‍	kobalt(II)
	${Co}^{3 +}$ ‍	kobalt(III)
Miedź	${Cu}^{+}$ ‍	miedź(I)	miedziawy
	${Cu}^{2 +}$ ‍	miedź(II)	miedziowy
Iron	${Fe}^{2 +}$ ‍	żelazo(II)	żelazawy
	${Fe}^{3 +}$ ‍	żelazo(III)	żelazowy
Ołów	${Pb}^{2 +}$ ‍	ołów(II)
	${Pb}^{4 +}$ ‍	ołów(IV)
Cyna	${Sn}^{2 +}$ ‍	cyna(II)	cynawy
	${Sn}^{4 +}$ ‍	cyna(IV)	cynowy

Używając tej tabeli jako odniesienia, spójrzmy jak należy nazwać związki zawierające metale poliwalentne.

Przykład 3: Nazewnictwo związków zawierających kationy poliwalentne

Jak brzmi poprawna nazwa związku ${PbCl}_{4}$ ‍?

Przy nazywaniu jonów zawierających metale przejściowe najpierw musimy ustalić ładunek, który ma kation danego metalu. Możemy go wyznaczyć, obliczając ładunek wniesiony przez anion, którego wartość już znamy.

Świadomi tego, że

Cl

jest halogenem z grupy 17, wiemy że tworzy on aniony chlorkowe

{Cl}^{-}

. Ze wzoru chemicznego

{PbCl}_{4}

widzimy, że w cząsteczce znajdują się cztery jony chlorkowe. Całkowity ujemny ładunek wnoszony do cząsteczki przez te jony obliczono poniżej:

$Suma ładunku wniesionego przez aniony = 4 \times (1$ ‍ $-$ ‍ $) = 4$ ‍ $-$ ‍

W takim wypadku, aby cząsteczka była elektrycznie obojętna, kationem ołowiu musi być

{Pb}^{4 +}

. Jest tak gdyż ładunek 4+ tego kationu dokładnie zniesie się z sumarycznym ładunkiem 4-, wnoszonym przez cztery aniony chlorkowe.

W związku z tym, poprawną nazwą

{PbCl}_{4}

jest chlorek ołowiu (IV).

Sprawdź się: Związki jonowe zawierające kationy poliwalentne

Jak brzmi poprawna nazwa związku ${Co}_{2} S_{3}$ ‍?

[Wskazówka 1]

[Wskazówka 2]

Podsumowanie

Kationy to dodatnio naładowane jony, powstające gdy neutralne atomy tracą elektrony; aniony to ujemnie naładowane jony, powstające gdy neutrale atomy przyjmują elektrony. Można przewidzieć ładunek większości jednoatomowych jonów przez sprawdzenie numeru grupy w układzie okresowym. Jednakże, wiele metali przejściowych jest poliwalentna, co oznacza że mogą tworzyć kationy o różnych ładunkach. Podczas nazywania tych kationów lub związków je zawierających należy podać ich ładunek.

Kationy i aniony łączą się tworząc związki jonowe. Nazywając te związki podajemy najpierw nazwę anionu, a po niej nazwę kationu. Jest to odwrotnie do sposobu zapisu ich wzoru chemicznego. Związki jonowe muszą być elektrycznie obojętne. Dlatego też, kationy i aniony muszą łączyć się w taki sposób aby sumaryczne ładunek wnoszony przez kationy znosił się zupełnie z sumarycznym ładunkiem wnoszonym przez aniony.

[Przypisy i referencje]

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Szymon Leon Porębski
Opublikowane 6 lat temu. Odnosi się do postu Szymon Leon Porębski's o treści “Dot. części o pierwiastka...”
Dot. części o pierwiastkach grup gdzie stopnie utlenienia mogą być różne. Na jakiej podstawie można stwierdzić (chociażby na podstawie kobaltu) ze jest albo 2-dodatni albo 3-dodadni? Czy pierwiastki do czegoś dążą ? (wiem o oktecie ale to chyba dotyczy pierwiastków grup 1,2,13-18)
Kliknij, aby przejść do strony rejestracjiKliknij, aby przejść do strony rejestracji
(4 głosy)
Odpowiedź

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.