Jonbildning inträffar när en atom eller molekyl antingen avger eller tar upp elektroner, vilket resulterar i en elektrisk laddning. De mest grundläggande exemplen på joner är atomjoner, som bildas när en atom genomgår elektronövergångar för att uppnå ett fullt valensskal.
För att förstå jonernas stabilitet är det viktigt att notera att joner med ädelgasskal (8 elektroner i valensskalet) är ofta stabila. Till exempel donerar alkalimetallerna i grupp 1 gärna bort en valenselektron för att bli envärt positiva joner, medan alkaliska jordartsmetallerna i grupp 2 donerar två valenselektroner för att uppnå samma stabila tillstånd.
I motsats till detta kan grupp 16 (syregruppen) ta upp elektroner för att bli tvåvärt negativa joner, medan halogenerna i grupp 17 tar upp en elektron för att bli envärt negativa joner.
För övergångsmetaller i grupp 3-12 kan joner ibland skapas utan ett fullt valensskal, på grund av komplexiteten i orbitalteorin, som normalt inte täcks i gymnasieundervisningen.
Det är värt att notera att för att skapa jonföreningar måste det finnas ett ämne som kan donera elektroner och ett annat som kan acceptera dem. Utan dessa två komponenter kan inte jonföreningar bildas. I studien av kemiska föreningar och reaktioner spelar joner och salter en central roll i att förstå materialets beteende.
Jonförening
När joner och salter interagerar skapas en jonförening, även kallad salt. Denna förening är totalt sett oladdad, då de positiva och negativa laddningarna tar ut varandra när man betraktar ämnet övergripande. Jonföreningen består av joner och salter som är packade i ett regelbundet mönster för att minimera kontakten mellan lika laddade joner och salter.
Sättet man skriver en jonförening är utan laddningsangivelser.
- NaCl (natriumklorid = koksalt): Består av joner och salter Na+ och Cl−.
- NaF (natriumfluorid): Består av joner och salter Na+ och F−, och används ofta i tandkräm.
För att identifiera att det är en jonförening kan man kolla på vilka ämnen som ingår i den kemiska formeln. Om det ingår en metall och en ickemetall är det för det mesta en jonförening man har att göra med. Detta gäller generellt eftersom metaller oftast är väldigt elektropositiva och avger gärna elektroner, medan icke-metaller oftast är elektronegativa och tar gärna upp elektroner. Metaller bildar oftast positiva joner och salter, och icke-metaller bildar oftast negativa joner och salter.
Om man vill skriva ut laddningarna på de olika joner och salter skriver man dem längst upp till höger om det kemiska tecknet. Exempelvis gäller Na+ för natriumjonen, Ca2+ för kalciumjonen och Cl− för kloridjonen.
Ett exempel
I exemplet med matsalt (koksalt), en vanlig jonförening med den kemiska formeln NaCl, observerar vi hur natriumatomen och kloratomen interagerar för att bilda denna förening.
Natriumatomen, med en valenselektron, och kloratomen, med sju valenselektroner, strävar efter att uppnå ett mer stabilt ädelgasskal med åtta elektroner. För att uppnå detta donerar natriumatomen en elektron till kloratomen. Resultatet är att båda atomerna nu har ett fullt elektronskal.
Natriumjonen, som gav bort en elektron, har en positiv laddning, medan kloridjonen, som tog emot elektronen, har en negativ laddning. Dessa motsatta laddningar resulterar i att jonerna attraheras till varandra genom elektromagnetiska krafter. Slutligen bildar de en jonförening, som i detta fall är koksalt (NaCl). Processen illustrerar hur joner och salter bildas genom elektronöverföring mellan atomer.
Att bestämma formeln
I namngivningen av ett salt används namnen på de positiva och negativa jonerna, men namnet avslöjar sällan proportionerna mellan dessa joner. Den faktiska sammansättningen av ett salt antas ofta och skapar ibland förvirring bland elever. I denna artikel kommer vi att förklara hur du kan använda det periodiska systemet för att avgöra proportionerna och bestämma saltets kemiska formel. För att lära dig mer om joner och salter, läs vidare i denna artikelserie.
Formeln anger proportionerna
I saltkristaller utgör inte enskilda molekyler strukturen, utan snarare ett omfattande nätverk av positiva och negativa joner. Denna kolossala struktur formas av starka jonbindningar och skapar ett regelbundet mönster. Empiriska formler, som exempelvis MgCl2 för magnesiumklorid, indikerar proportionerna mellan de positiva och negativa jonerna i kristallen. Denna formel representerar också den minsta byggstenen, kallad formelenhet, för saltkristallen.
Det är viktigt att notera att formelenheter i en saltkristall har samma typ av jonbindningar både inom enheten och mellan enheterna. Utforska våra relaterade källor för en fördjupad förståelse av joner och salt.
Att avgöra jonernas laddning
För att härleda den empiriska formeln för ett salt inleds processen med att fastställa laddningarna för de positiva och negativa jonerna som ingår i saltet. Enklare atomjoner, som natriumjonen, kan bestämmas med hjälp av det periodiska systemet. Gruppnumret i det periodiska systemet indikerar antalet valenselektroner hos den motsvarande atomen. Genom att tillämpa oktettregeln kan man enkelt bestämma laddningen för jonen. Till exempel finns natrium i grupp 1, har 1 valenselektron och bildar joner med laddningen 1+. Å andra sidan återfinns syre i grupp 16, har 6 valenselektroner och bildar joner med laddningen 2−.
När dessa laddningar är kända, kan man fastställa förhållandet mellan positiva och negativa joner i saltet, vilket leder till den empiriska formeln. Empiriska formler för salter anger proportionerna mellan de olika typerna av joner i saltkristallen. Det är viktigt att förstå att en saltkristall inte består av enskilda molekyler, utan av en struktur av positiva och negativa joner som bildar ett regelbundet nätverk. Formeln för ett salt anger det minsta förhållandet mellan positiva och negativa joner och kallas för den empiriska formeln.
Oladdat som helhet
Salter är alltid oladdade som helhet, vilket innebär att de positiva och negativa joner i saltet “tar ut varandra”. Om en positiv jon är envärt positivt laddad och en negativ jon är envärt negativ laddad, krävs en av varje för att bilda ett oladdat salt. Till exempel ger kombinationen av Na+ och Cl− saltet NaCl. Salter skrivs aldrig ut med laddningar, eftersom de är laddningsneutrala.
För joner och salter som inte är envärt laddade, måste de kombineras på ett annorlunda sätt. Om vi har Ba2+ och Cl− bildar de saltet BaCl2, där två kloridjoner krävs per bariumjon för att balansera laddningarna.
Situationen blir ännu mer komplex när vi har två- och trevärt laddade joner. Till exempel skapar Fe3+ och SO42− tillsammans saltet Fe2(SO4)3, där det krävs två järnjoner och tre sulfatjoner för att balansera laddningarna.
Användningen av parenteser indikerar flera enheter av en molekylär jon. Fe2(SO4)3 betyder att det finns 2 Fe3+ och 3 SO42−. Utan parenteser skulle det vara svårt att förstå molekylens sammansättning. Till exempel ger Fe2S3O12 ingen information om att det finns tre sulfatjoner i saltet.
Flera tänkbara laddningar
I kemi är joner och salter fundamentala begrepp som belyser laddningsaspekter inom kemiska föreningar. Joner, eller elektriskt laddade partiklar, uppstår när en atom eller molekyl förlorar eller vinner elektroner. Salter, som är en typ av kemisk förening, består av positiva joner (kationer) och negativa joner (anioner) som attraherar varandra genom elektrostatiska krafter och bildar en laddningsneutral enhet. Denna dynamik mellan joner och salter är central för förståelsen av många kemiska processer och reaktioner.
Namngivning av salter
Namngivning av salter är en rättfram process där man börjar med den positiva jonen, katjonen, och avslutar med den negativa jonen, anjonen. För atomära joner behåller man atomslagets namn för positiva joner och lägger till “-id” för negativa joner. I grupp 17 får vi fluorid, klorid, bromid, och så vidare. Grupp 16 bryter mönstret med oxid (syre) och sulfid (svavel).
Molekylära joner, som ammoniumjon (NH₄⁺), karbonatjon (CO₃²⁻), sulfatjon (SO₄²⁻), fosfatjon (PO₄³⁻) och nitratjon (NO₃⁻), är lite mer komplext namngivna och kräver inlärning.
När man namnger salter är det överflödigt att inkludera antalet positiva och negativa joner i namnet, eftersom föreningen som helhet är oladdad. Till exempel är BaCl₂ känt som bariumklorid och inte bariumdiklorid. Så länge man känner till laddningarna på jonerna kan man alltid räkna ut proportionerna.
För metalljoner, särskilt från övergångsmetallerna, som varierar i laddning, används romerska siffror inom parentes efter metalljonens namn för att indikera jonens oxidationstal. Exempelvis är FeSO₄ järn(II)sulfat och Fe₂(SO₄)₃ järn(III)sulfat.
I detta sammanhang är namngivningen av joner och salter grundläggande för att förstå sammansättningen och egenskaperna hos dessa kemiska föreningar.
Bindningsstyrka hos joner och salter
Lösligheten av joner och salter i vatten varierar avsevärt beroende på olika faktorer. Till exempel kan vanligt bordssalt (NaCl) lösa sig i vatten i stora mängder, medan silverklorid (AgCl) verkar vara i princip olösligt i samma volym vatten.
Tre huvudfaktorer påverkar lösligheten av joner och salter i vatten:
- Jonernas och vattnets polaritet: Salter bildas av positiva och negativa joner. Om vattnet är polärt, det vill säga har en positiv och en negativ pol, kan det bättre omge och separera joner, vilket ökar lösligheten. Icke-polära lösningsmedel, å andra sidan, kan ha svårare att bryta upp och omge jonerna.
- Temperatur: Lösligheten av många salter ökar med ökad temperatur. Vid högre temperaturer har vattnet oftast en högre kapacitet att lösa upp joner och föreningar. Detta beror på att partiklarna i vattnet rör sig mer vid högre temperaturer och kan därmed bryta isär saltpartiklarna lättare.
- Jons storlek och laddning: Joner med liknande laddningar kan stöta bort varandra på grund av elektrostatiska krafter, vilket kan minska lösligheten. Större joner kan också ha lägre löslighet eftersom de har svårare att passa in i vattnets molekylära struktur.
Dessa faktorer samverkar och påverkar huruvida ett salt kommer att lösa sig väl eller dåligt i vatten. För att förstå och förutsäga lösligheten är det viktigt att överväga dessa aspekter.
Fällningar
Salter visar olika grad av löslighet i vatten, och detta beror i stor utsträckning på hur joner sitter ihop. Bindningarnas styrka mellan jonerna är avgörande för lösligheten, och detta påverkas av flera faktorer. För att förstå varför vissa salter är mer eller mindre lösliga än andra, tittar vi närmare på:
- Lika stora laddningar på jonerna: När joner har lika stora laddningar, sker en stark avstötning mellan dem. Detta kan leda till låg löslighet, särskilt om joner av samma laddning försöker närma sig varandra.
- Låg elektronegativitetsskillnad: En minimal skillnad i elektronegativitet mellan jonerna underlättar lösligheten. För stor elektronegativitetsskillnad kan skapa starka elektrostatiska krafter och därmed minska lösligheten.
- Liknande jonstorlek: Joner med liknande storlek passar bättre ihop och bildar starkare bindningar. Om jonerna är betydligt olika i storlek kan det skapa oregelbundenheter i strukturen och minska lösligheten.
När olika saltlösningar blandas kan kombinationen av joner bilda svårlösliga salter som utfälls och blir synliga som en dimma i lösningen. Detta utfällningsfenomen illustrerar vikten av att förstå egenskaperna hos de ingående joner och hur de interagerar för att förutsäga lösligheten och eventuell utfällning.
Vilket salt som fälls ut
När man bedömer vilket salt som kan utfällas vid blandning av två saltlösningar finns användbara tumregler kopplade till joner och salter.
- Alla nitratsalter (salter med NO3−-joner) är lättlösliga.
- Alla ammoniumsalter (salter med NH4+-joner) är lättlösliga.
- Salter med joner från alkalimetaller (grupp 1 i det periodiska systemet) är lättlösliga.
- Karbonatsalter (salter med CO32−-joner) är oftast svårlösliga, förutom när de kombineras med ammoniumjoner eller joner från grupp 1.
Genom att tillämpa dessa tumregler kan man uppskatta vilket salt som utfälls när två saltlösningar blandas och därmed dra slutsatser om vilka joner som är inblandade i bildandet av utfällningen.
Vanliga svårlösliga salter
- AgCl
- BaSO4
- CaCO3
Kristallvatten
Kristaller av vissa salter har förmågan att dra åt sig vattenmolekyler från omgivningen, särskilt om vattenånga finns i luften. Detta fenomen kallas hydratisering, och det innebär att saltet bildar komplexa strukturer med vattenmolekylerna. Denna process involverar ofta bindningar mellan den positiva jonen och syreatomerna i vattnet, en interaktion som kallas koordination. Metalljoner med mer än en plusladdning är vanligtvis effektiva i att binda vatten på detta sätt.
Ett exempel på detta är koppar(II)joner, Cu2+. I saltet koppar(II)sulfat, CuSO4, kan upp till fem vattenmolekyler hydratisera varje koppar(II)jon. Fyra av dessa vattenmolekyler binder direkt till koppar(II)jonen, medan den femte binder till sulfatjonen genom en vätebindning.
Kristallvattnet kan påverka saltets egenskaper. Till exempel har hydratiserat koppar(II)sulfat en blå färg, medan den icke-hydratiserade formen är grå. Denna färgförändring beror på hur vattenmolekylerna nära koppar(II)jonerna påverkar de tillgängliga energinivåerna för kopparelektronerna. Processen med hydratisering är ett viktigt fenomen som illustrerar det komplexa samspel mellan joner och salter i olika miljöer.
Formel och namn
För att beskriva den kemiska uppbyggnaden av joner och salter används en empirisk formel, vilken visar förhållandet mellan antalet positiva joner och antalet negativa joner. Exempelvis har magnesiumklorid den empiriska formeln MgCl2, vilket betyder att det finns dubbelt så många kloridjoner som magnesiumjoner i en kristall av magnesiumklorid. Empiriska formler anger också saltets formelenhet, vilket är den minsta byggstenen som kan upprepas tillräckligt många gånger för att bygga upp kristallen.
När ett salt innehåller kristallvatten indikeras detta i den empiriska formeln med ett multiplikationstecken. Fullständigt hydratiserat koppar(II)sulfat har till exempel formeln CuSO4⋅5H2O, där 5H2O indikerar att varje formelenhet innehåller fem vattenmolekyler.
För att namnge ett salt med kristallvatten läggs ordet “hydrat” till på slutet, tillsammans med ett grekiskt räkneord som anger antalet vattenmolekyler per formelenhet. Ett exempel är fullständigt hydratiserat koppar(II)sulfat, som får namnet koppar(II)sulfatpentahydrat, där “penta” står för fem.
Energi och kristallvatten
När kemiska bindningar bildas, frigörs energi, och detta gäller även när kristallvatten binds in i en saltkristall. Ett exempel är koppar(II)sulfatpentahydrat (CuSO₄⋅5H₂O), där energi frigörs vid bildningen av saltet. Denna process är en del av det bredare ämnet joner och salter.
Å andra sidan krävs energi för att bryta bindningar och avlägsna kristallvattnet. Om man till exempel värmer dehydratiserat koppar(II)sulfat, absorberas energi och temperaturen höjs. Reaktionsformeln för denna process är:
CuSO4⋅5H2�(�)+energi→CuSO4(�)+5H2�(�)CuSO4⋅5H2O(s)+energi→CuSO4(s)+5H2O(g)
Genom att värma saltet avlägsnas vattnet i form av vattenånga. I studiet av joner och salter är dessa energiförändringar viktiga att förstå och analysera.