شارح الدرس: الرابطة الأيونية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الرابطة الأيونية بدلالة التجاذب الكهروستاتيكي وكيف نستخدمه لتوضيح خواصِّ المركَّبات الأيونية.

معظم الأشخاص على دراية ببضعة أنواع مختلفة على الأقل من المركَّبات الأيونية؛ لأن المركَّبات الأيونية أساس الحياة العصرية. عادةً ما يستخدم الناس ملح الطعام الشائع لجعل الطعام مستساغ المذاق، كما يستخدمون الطباشير في الكتابة على السبُّورات. تستخدم الجهات المصنِّعة المغنيسيا باعتبارها مكوِّنًا أساسيًّا مقاوِمًا للنيران في مواد البناء، ويستخدم عاملو المستشفيات كلوريد البوتاسيوم لعلاج حالة نقص البوتاسيوم في الدم. من الواضح أن المركَّبات الأيونية شائعة ومفيدة للغاية، وهذا سبب وجيه لفَهْم بنيتها وخواصِّها الكيميائية.

تتكوَّن المركَّبات الأيونية من أيونات موجبة الشحنة وأيونات سالبة الشحنة. تتجمَّع الأيونات معًا وتكوِّن بنية شبيكية عملاقة ثلاثية الأبعاد. تتمتَّع البِنَى الشبيكية الأيونية بالعديد من الخواصِّ المثيرة للاهتمام، وسنسرد هذه الخواصَّ ونشرحها في الفقرات الآتية.

يتكوَّن معظم ملح الطعام الشائع تقريبًا من مركَّب كلوريد الصوديوم. تحتوي شبيكة كلوريد الصوديوم على كلٍّ من أيونات الصوديوم ذات الشحنات الموجبة ()، وأيونات الكلوريد ذات الشحنات السالبة (). أيونات الصوديوم لها شحنة ، وأيونات الكلوريد لها شحنة . ويوجد تجاذب كهروستاتيكي قوي بين هذه الأيونات ذات الشحنات المتضادة، الأمر الذي يجعل شبيكة كلوريد الصوديوم مستقرَّة نسبيًّا.

يوضِّح الشكل الآتي ترتيب أيونات الصوديوم والكلوريد في فراغ ثلاثي الأبعاد داخل الشبيكة. توضِّح الصورة الموجودة على اليسار نموذج الكرة والعصا، وتوضِّح الصورة الموجودة على اليمين نموذج ملء الفراغ المقابل. تُصمَّم نماذج الكرة والعصا عمدًا بحيث تتضمَّن فراغًا كبيرًا جدًّا بين الأيونات. كما أنها تُصمَّم عادةً بحيث يكون قطر نوع معين واحد على الأقل من الأيونات كبيرًا أو صغيرًا بشكل غير واقعي. صُمِّمت نماذج الكرة والعصا لتساعد الناس على فَهْم كيفية ارتباط الأيونات في الشبيكة الأيونية، بدلًا من أن توضِّح أطوال الروابط وأقطار الأيونات بدقة. تقدِّم نماذج ملء الفراغ منظورًا واقعيًّا لأقطار الأيونات وأطوال الروابط، لكنَّها تميل إلى أن تبدو عشوائية ومزدحمة. ولكلِّ نموذج قيوده الخاصة به على حدٍّ سواء، وهذا يفسِّر لماذا يستخدم علماء الكيمياء أكثر من نموذج لتدريس بنية الشبيكة الأيونية وفَهْمها. من الواضح أن طريقتَي التمثيل مختلفتان تمامًا، لكنَّ كلًّا منهما يشير إلى أن كلوريد الصوديوم له الصيغة الأولية: أو . وتوضِّح طريقتَا التمثيل أن كلوريد الصوديوم به أيون صوديوم واحد () لكلِّ أيون كلوريد ().

مثال ١: فَهْم بنية مركَّبات كلوريد الصوديوم

يوضِّح الشكل تمثيل بنية كلوريد الصوديوم.

1. ما وحدة صيغة كلوريد الصوديوم؟
   1.  
   2.  
   3.  
   4.  
   5.  
2. أيٌّ ممَّا يلي يُعَدُّ من عيوب استخدام هذا النوع من التمثيلات لتمثيل المركَّبات الأيونية؟
   1. يُظهِر الأيونات المرتبطة بألوان مختلفة.
   2. كلٌّ من حجم الأيونات والمسافات بينها غير صحيح.
   3. يُظهِر التركيب الثلاثي الأبعاد للأيونات في الشبيكة.
   4. يوضِّح ترتيب الأيونات في الشبيكة.
   5. يمكن تعيين نسبة الأيونات الموجبة الشحنة إلى الأيونات السالبة الشحنة.

الحل

الجزء الأول

وحدة الصيغة هي أقل نسبةٍ من عدد صحيح للأيونات الممثَّلة في مركَّب أيوني. وتُستخدَم هذه الصيغة للإشارة إلى العدد النسبي للأيونات ذات الشحنات الموجبة والسالبة في بنية شبيكية أيونية عملاقة. يوضِّح الشكل جزءًا واحدًا من شبيكة كلوريد الصوديوم. يمكن استخدام الشكل لتحديد احتواء شبيكة كلوريد الصوديوم على أيون صوديوم واحد لكلِّ أيون كلوريد. يوضِّح الشكل أن الخيار هـ يجب أن يكون الإجابة الصحيحة لهذا السؤال؛ لأن الخيار هـ يشير إلى أن وحدة صيغة كلوريد الصوديوم هي: . يشير الخيار هـ، على نحو غير مباشر، إلى أن شبيكة كلوريد الصوديوم تحتوي على أيون صوديوم واحد لكلِّ أيون كلوريد.

الجزء الثاني

تُصمَّم نماذج الكرة والعصا عمدًا بحيث تتضمَّن فراغًا كبيرًا بين الأيونات. كما أنها تُصمَّم عادةً بحيث يكون قطر نوع معين على الأقل من الأيونات كبيرًا أو صغيرًا بشكل غير واقعي. وتُصمَّم نماذج الكرة والعصا لتساعد الناس على فَهْم كيفية ارتباط الأيونات في الشبيكة الأيونية بدلًا من توضيح أحجام الروابط أو الأيونات بدقة. قد يكون من غير المرغوب فيه أحيانًا استخدام نماذج الكرة والعصا لأغراض التدريس؛ لأنها لا توضِّح أحجام الروابط الكيميائية أو الأيونات المشحونة. وهاتان العبارتان مدعومتان في الخيار ب. يمكننا إذن استنتاج أن الخيار ب هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

عادةً ما يصعب رسم النماذج الثلاثية الأبعاد أو تكوينها، ومن الأسهل أحيانًا استخدام شكلٍّ أبسطَ ثنائيِّ الأبعاد لوصف بنية الشبيكة الأيونية. توضِّح الأشكال الثنائية الأبعاد كيفية ترتيب الأيونات الموجبة والسالبة في الفراغ. فهي توضِّح أن الأيونات التي لها شحنة معينة دائمًا ما تكون محاطة بأيونات ذات شحنة مضادة. كما توضِّح أيضًا أن هناك مساحة صغيرة جدًّا بين الأيونات الموجبة والأيونات السالبة. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن استخدام شكل ثنائي الأبعاد بسيط نسبيًّا لوصف بنية شبيكية أيونية عملاقة:

مثال ٢: فَهْم كيفية تمثيل البنية البلورية لمركَّب أيوني

أيُّ الأشكال الآتية يمثِّل بنية بلورية لمركَّب أيوني؟

الحل

تحتوي المركَّبات الأيونية على أيونات موجبة الشحنة وسالبة الشحنة. وكل أيون موجب الشحنة يكون محاطًا بأيونات سالبة الشحنة، وكل أيون سالب الشحنة يكون محاطًا بأيونات موجبة الشحنة. تتجمَّع الأيونات ذات الشحنات المتضادة معًا بفعل التداخلات الكهروستاتيكية التجاذبية، وتكوِّن في نهاية المطاف شبيكة عملاقة ثلاثية الأبعاد. توجد مسافة صغيرة جدًّا بين الأيونات ذات الشحنات المتضادة، وبأخذ هذه المعلومات معًا، يعني ذلك أن الإجابة الصحيحة هي الخيار د.

يمكن تحضير كلوريد الصوديوم بتفاعل غاز الكلور مع عينة مسخَّنة من الصوديوم السائل. هذا التفاعل طارد للحرارة بدرجة كبيرة، ويتولَّد قدر كبير من الحرارة والضوء عند تفاعل ذرات الصوديوم والكلور معًا لتكوين مركَّب كلوريد الصوديوم. يحدث هذا التفاعل الكيميائي عندما تنقل ذرات الصوديوم إلكترونات التكافؤ المفردة إلى ذرات الكلور. توضِّح المعادلة الآتية كيف يمكن أن يتفاعل فلزُّ الصوديوم مع غاز الكلور لتكوين مركَّب كلوريد الصوديوم:

يستخدم الكيميائيون عادةً قاعدة الثُّمانيَّات لتفسير سبب تفاعل ذرات الصوديوم مع الكلور. تنصُّ قاعدة الثُّمانيَّات على أن الذرات تنقل الإلكترونات أو تتشاركها لتحصل على التوزيع الإلكتروني لأقرب غاز نبيل لها.

تحتوي ذرات الكلور على سبعة إلكترونات في الغلاف الخارجي (غلاف التكافؤ)، ويجب أن تكتسب إلكترونًا واحدًا لكي يصبح لها نفس التوزيع الإلكتروني لذرة الأرجون. ذرات الصوديوم بها إلكترون واحد في الغلاف الخارجي. ويجب أن تفقد الذرات هذا الإلكترون ليصبح لديها ثمانيةُ إلكترونات في غلاف التكافؤ، ونفسُ التوزيع الإلكتروني لذرة النيون. يمكن أن تحصل ذرات الصوديوم والكلور على حدٍّ سواء على نفس التوزيع الإلكتروني الخاص بغاز نبيل إذا انتقل إلكترون الغلاف الخارجي الوحيد من ذرات الصوديوم إلى ذرات الكلور. يوضِّح الشكل الآتي كيفية حصول ذرات الصوديوم والكلور على التوزيع الإلكتروني نفسه الخاص بذرة غاز نبيل عندما يتحرَّك إلكترون التكافؤ المفرد من ذرات الصوديوم إلى ذرات الكلور:

تَنتُج عن ذرات الصوديوم والكلور أيونات ذات شحنات متضادة ويوجد بينها تجاذب كهروستاتيكي. تتفاعل الأيونات ذات الشحنات المتضادة أحدها مع الآخَر، وتكوِّن في نهاية المطاف بنية شبيكية أيونية عملاقة. في نهاية المطاف يصبح كل كاتيون صوديوم محاطًا بستة أيونات كلوريد، وكل أنيون كلوريد محاطًا بستة أيونات صوديوم.

مخطَّطات بِنَى لويس هي رسوم توضيحية تخطيطية بسيطة توضِّح كيفية مشاركة إلكترونات الغلاف الخارجي أو انتقالها خلال التفاعلات الكيميائية. يمكن استخدام مخطَّطات بِنَى لويس لتوضيح كيفية تكوُّن مركَّب كلوريد الصوديوم عندما تتحرَّك الإلكترونات من ذرات الصوديوم إلى ذرات الكلور. توضِّح بنية لويس الآتية كيف تتكوَّن أيونات الصوديوم والكلوريد عندما تنتقل الإلكترونات المفردة في الغلاف الخارجي من ذرات الصوديوم إلى ذرات الكلور:

تفقد الذرات أو تكتسب، في بعض الأحيان، أكثر من إلكترون واحد في الغلاف الإلكتروني الخارجي عندما تكوِّن الذرات مركَّبات أيونية. تفقد ذرات الكالسيوم إلكترونين عند تكوينها لكربونات الكالسيوم ()، وتفقد ذرات المغنيسيوم إلكترونين عندما تكوِّن المغنيسيا (). تكتسب ذرات الأكسجين إلكترونين عندما تكوِّن أكسيد الصوديوم ()، وتكتسب إلكترونين أيضًا عند تكوين معظم الأكاسيد الأخرى مثل: أكسيد البريليوم ()، أو أكسيد الباريوم ().

يمكن تحديد ميل الذرة لاكتساب الإلكترونات أو لفَقْدها من خلال رقم مجموعتها وموقعها في الجدول الدوري. عادةً ما تكتسب الذرات إلكترونات إذا كانت تقع في مجموعة ذات رقم مرتفع، وتقع في الطرف الأيمن من الجدول الدوري. وتميل الذرات إلى فَقْد الإلكترونات إذا كانت تقع في مجموعة ذات رقم منخفض، وتقع في الطرف الأيسر من الجدول الدوري. يوضِّح الجدول الآتي كيف تميل ذرات عمودٍ ما في الجدول الدوري (مجموعة) إلى فَقْد أو اكتساب عدد معين من الإلكترونات أثناء التفاعلات الكيميائية. تميل ذرات المجموعة 1 إلى تكوين أيونات بحالة الشحنة عندما تفقد إلكترونَ تكافؤٍ واحدًا، وتميل ذرات المجموعة 16 إلى تكوين أيونات بحالة الشحنة عند اكتسابها إلكترونَي تكافؤ.

يمكن وصف التركيب الكيميائي لأيِّ مركَّب أيوني معين ببساطة وفاعلية باستخدام وحدة الصيغة. وحدة الصيغة هي أقل نسبةٍ من عدد صحيح للأيونات الممثَّلة في مركَّب. تَصِف وحدة الصيغة للمركَّبات الأيونية الوفرةَ النسبيةَ للأيونات الموجبة الشحنة والسالبة الشحنة في المركَّب. وهي تشير إلى عدد الأيونات الموجبة الشحنة الموجودة لكلِّ أيون سالب الشحنة. دائمًا ما تُوضَع وحدة الصيغة لأيِّ مركَّب أيوني بحيث تكافئ شحنة الكاتيونات شحنة الأنيونات بالضبط. ستحتوي وحدة الصيغة دائمًا على العدد نفسه من الكاتيونات والأنيونات إذا كانت لها شحنات متساوية لكن متضادة.

وحدة الصيغة لكلوريد الصوديوم هي: ؛ لأن أيونات الصوديوم لها حالة الشحنة ، وأيونات الكلوريد لها حالة الشحنة المكافئة لكن المضادة لها. وحدة الصيغة لأكسيد المغنيسيوم هي: ؛ لأن أيونات المغنيسيوم لها حالة الشحنة ، وأيونات الأكسجين لها حالة الشحنة المكافئة لكن المضادة لها. يحتوي كلوريد الصوديوم وأكسيد المغنيسيوم على العدد نفسه من الكاتيونات والأنيونات؛ لأن الكاتيونات والأنيونات الخاصة بهما لها شحنات متساوية لكنَّها متضادة.

إذا لم تكن للكاتيونات والأنيونات شحنات متساوية لكن متضادة، فستحتوي وحدة الصيغة للمركَّب الأيوني دائمًا على عدد غير متساوٍ من تلك الأيونات. إذ لا بدَّ من أن يكون هناك قدر من عدم التوزان في عدد الأيونات بحيث لا تكون للنظام الأيوني الكامل شحنة كهربية كلية. وحدة الصيغة لأكسيد الصوديوم هي: ؛ لأن أيونات الأكسجين به لها حالة الشحنة ، وأيونات الصوديوم به لها حالة الشحنة . يمكن ألَّا يحمل مركَّب أكسيد الصوديوم شحنة كلية في حالة واحدة؛ ألَا وهي إذا كان يحتوي على أيونَي صوديوم لكلِّ أيون أكسجين.

تتمتَّع المركَّبات الأيونية دائمًا بنسبة من الأيونات ذات الشحنات المتضادة التي تُكسِب المركَّب شحنة كهربية كلية تساوي صفرًا. يوضِّح الجدول الآتي كيف تكون وحدة الصيغة للمركَّبات الأيونية متوازنة دائمًا بحيث تلغي الشحنة الموجبة والشحنة السالبة إحداهما الأخرى.

مثال ٤: فَهْم كيفية رسم مخطَّطات بِنَى لويس لمركَّبات أكسيد الصوديوم

ما التمثيل النُّقَطي للإلكترونات الذي يُظهِر التركيب الصحيح لأكسيد الصوديوم؟

الحل

تميل الذرات عادةً إلى اتِّباع قاعدة الثُّمانيَّات خلال تفاعلاتها وتكوينها لمركَّبات أيونية. الأكسجين هو أحد عناصر المجموعة 16، وتكتسب ذراته إلكترونين عندما تكوِّن مركَّبات أيونية. الصوديوم هو أحد عناصر المجموعة 1، وتفقد ذراته إلكترونًا واحدًا عندما تكوِّن مركَّبات أيونية. يوضِّح الخياران أ، هـ على نحو صحيح أن ذرات الصوديوم والأكسجين تُطيع قاعدة الثُّمانيَّات عندما تتفاعل وتكوِّن أيونات الصوديوم ()، وأيونات الأكسجين (). لا بدَّ من أن تكون وحدة الصيغة لأكسيد الصوديوم هي: ؛ لأن أيونات الأكسجين لها حالة الشحنة ، وأيونات الصوديوم لها حالة الشحنة . لا يمكن أن تكون للشبيكة الأيونية شحنة كهربية تساوي صفرًا إلا إذا كان فيها أيونَا صوديوم لكلِّ أيون أكسجين. وهذا يعني أن الخيار هـ غير صحيح، وأن الخيار أ صحيح.

يوضِّح الجدول الآتي بعض الخواصِّ الفيزيائية والكيميائية الشائعة للبِنَى الشبيكية الأيونية العملاقة.

تتمتَّع المركَّبات الأيونية عادةً بدرجات انصهار مرتفعة لأنها تتطلَّب قدرًا كبيرًا من الطاقة لكسر الروابط الكهروستاتيكية القوية بين الأيونات ذات الشحنات الموجبة والسالبة. وتكون الروابط الكهروستاتيكية أقوى عندما تكون الأيونات لها حالة الشحنة أو بدلًا من حالة الشحنة . تُستخدَم المغنيسيا () باعتبارها مكوِّنًا مضادًّا للحريق في مواد البناء؛ لأنها تحتوي على أيونات و الثنائية التكافؤ. هناك تداخلات كهروستاتيكية قوية للغاية بين الأيونات الثنائية التكافؤ، وهي تتطلَّب قدرًا كبيرًا من الطاقة الحرارية لكسرها.

مثال ٥: فَهْم تأثير شحنة الأيونات على درجة انصهار المركَّبات الأيونية

يوضِّح التمثيل البياني بالأعمدة التالي درجات الانصهار لثلاثة مركَّبات أيونية. أيُّ الخيارات الآتية صواب؟

1.  X:
     Y:
     Z:
2.  X:
     Y:
     Z:
3.  X:
     Y:
     Z:
4.  X:
     Y:
     Z:
5.  X:
     Y:
     Z:

الحل

الحرارة مطلوبة لكسر الروابط الكهروستاتيكية بين الأيونات السالبة الشحنة والموجبة الشحنة في المركَّبات الأيونية. وتكون الروابط أقوى عندما تكون حالة الشحنة للأيونات أو بدلًا من حالة الشحنة . تحتوي شبيكة فلوريد الصوديوم () على أيونات بحالة الشحنة و. تحتوي شبيكة فلوريد المغنيسيوم () على أيونات بحالة الشحنة و. وتحتوي شبيكة أكسيد المغنيسيوم () على أيونات بحالة الشحنة و.

يتطلَّب الأمر قدرًا كبيرًا من الطاقة لكسر الروابط الأيونية في شبيكة ، وقدرًا أقل من الطاقة لكسر الروابط الأيونية في شبيكة . ويتطلَّب كسر الروابط الأيونية في شبيكة طاقة أقل. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن أكسيد المغنيسيوم له أعلى درجةِ انصهارٍ، وأن فلوريد الصوديوم لا بدَّ من أن يكون له أقل درجة انصهار. ويجب أن تقع درجة انصهار فلوريد المغنيسيوم بين هاتين الدرجتين. يمكن استخدام هذا المنطق لتحديد أن الخيار ج هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

تتميَّز المركَّبات الأيونية بالصلادة دائمًا تقريبًا، ويمكن أن تتحمَّل القوى الكبيرة المؤثِّرة على مساحة كبيرة منها بفضل قوى التجاذب الموجودة بين أيوناتها ذات الشحنات المتضادة. يتمتَّع كلوريد الصوديوم وأكسيد المغنيسيوم بقيم صلادة تكافئ بعض المعادن مثل الجبس والكالسيت.

المركَّبات الأيونية صلدة، لكنَّها هشَّة أيضًا. إذ تتألَّف الشبيكات الأيونية من أيونات مصطفَّة بانتظام، ويمكن إتلاف هذه البنية المتماثلة للغاية إذا أثَّرت قوة على مساحة سطح صغيرة. يمكن أن يُخرِج الضغط بعض الأيونات من مكانها ويجعل الأيونات ذات الشحنات المتشابهة تتنافر بقوة أحدها مع الآخَر. تؤدِّي قوى التنافر الكهروستاتيكي إلى زعزعة استقرار الشبيكة الأيونية، وينتهي الأمر عادةً بكسر الشبيكة وتحطُّمها. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن زعزعة استقرار شبيكة أيونية عند التأثير عليها بقوة (ضغط) تؤثِّر على مساحة سطح صغيرة.

دائمًا ما تكون المركَّبات الأيونية قابلة للذوبان في الماء؛ لأن جزيئات الماء قطبية، ولها تداخلات كهروستاتيكية قوية مع الأيونات السالبة الشحنة والموجبة الشحنة التي تتألَّف منها الشبيكة الأيونية. فجزيئات الماء تُكسِّر البِنَى الشبيكية الأيونية العملاقة عند تفاعلها مع الأيونات المشحونة، وتؤدِّي إلى تفكيكها وسحبها بعيدًا إحداها عن الأخرى. وفي نهاية المطاف تذوب الأيونات المتفكِّكة في الماء. ويمكنها أن تتحرَّك بحُرِّية في جميع أرجاء الماء، ويمكنها حتى توصيل التيار الكهربي.

لا توصِّل المركَّبات الأيونية الكهرباء في حالتها الصلبة، ولكنَّها توصِّل الكهرباء عندما تكون مصهورة أو مذابة في الماء. لا يمكن للمواد توصيل التيار الكهربي إلا إذا كانت تحتوي على نوع من الجسيمات المتحرِّكة الحاملة للشحنة. لا تكون الجسيمات ذات الشحنات الموجبة والسالبة متحرِّكة عندما تكون محصورة في شبيكة عملاقة ثلاثية الأبعاد، لكنَّ بمقدورها الحركة بحُرِّية عند صَهْر الشبيكة أو إذابتها في الماء.