Jonföreningar och jonbindningar – del 1 PDF

Jonföreningar och jonbindningar – del 1 Niklas Dahrén  Innehåll Del 1: o Introduktion till jonföreningar och jonbindningar. o Jämförelse mellan jonföreningar och molekylföreningar. o Hur jonföreningar är uppbyggda (kristallstruktur). o Jonbindning. o H...

Jonföreningar och jonbindningar – del 1 Niklas Dahrén  Innehåll Del 1: o Introduktion till jonföreningar och jonbindningar. o Jämförelse mellan jonföreningar och molekylföreningar. o Hur jonföreningar är uppbyggda (kristallstruktur). o Jonbindning. o Hur atomernas radie påverkas vid jonisering. o Joniseringsenergi. Del 2: o Atomjonernas namn o Namngivning av olika jonföreningar. o Hur man skriver den kemiska beteckningen/formeln för olika jonföreningar. o Sammansatta joner. o Jonföreningarnas egenskaper. o Hur jonföreningar bildas/framställs. o Löslighet i vatten. o Utfällningar/fällningar.  Indelning av kemiska bindningar Jonbindning Bindningar mellan jonerna i en jonförening (salt) Metallbindning Bindningar mellan metallatomerna i en metall Kemiska bindningar Kovalenta bindningar Bindningar mellan atomerna i en molekyl Bindningar mellan olika molekyler Intermolekylära bindningar Bindningar mellan joner och molekyler Bindningar mellan olika delar i stora molekyler  Jonföreningar (salter) är uppbyggda av ett stort antal joner som sitter i kristallstruktur ü Joner: Atomer som har tagit upp eller avgivit valenselektroner och därmed blivit negativt eller positivt laddade kallas för joner. Det finns även sammansatta joner som består av flera atomer som binder till varandra och som tillsammans har fått ett elektronöverskott eller elektronunderskott. ü Katjoner och anjoner: Katjoner är positivt laddade joner medan anjoner är negativt laddade joner. Katjoner och anjoner attraheras av varandras laddningar och det uppstår därmed jonbindningar mellan jonerna. ü Kristallstruktur: Jonföreningar/salter är uppbyggda av ett ”oändligt” antal positiva och negativa joner som binder till varandra i ett tredimensionellt mönster som hela tiden upprepas. Detta kallas för kristallstruktur.  Jonföreningar vs. molekylföreningar Jonföreningar: Molekylföreningar: Uppbyggnad: Jonföreningar består av ett stort antal Molekylföreningar består av molekyler som är positivt och negativt laddade joner som uppbyggda av olika grundämnen (olika typer av binder till varandra i alla riktningar och atomer). Varje molekyl har ett bestämt antal atomer. I bildar en enda stor enhet (i fast form fast form kan många molekylföreningar bilda kristaller bildas en saltkristall). Det finns ingen gräns (precis som joner kan göra) genom att molekylerna för hur stor denna enhet kan bli. binder till varandra med relativt svaga intermolekylära bindningar. Bindningar: Jonbindningar. Olika typer av kovalenta bindningar mellan atomerna i varje molekyl. Olika intermolekylära bindningar mellan molekylerna när ämnet är i fast eller flytande form. Bildas: Bildas ofta när en metall reagerar med en Bildas när olika ickemetaller reagerar med varandra. ickemetall. Egenskaper: Leder ström i smält form och i Leder inte ström. Oftast låga smält- och kokpunkter. vattenlösning. Höga smält- och kokpunkter. Många är gaser i rumstemperatur. Fasta ämnen vid rumstemperatur.  Jämförelse mellan jonföreningen NaCl och molekylföreningen H2O Jonförening (salt): ü Består av en stor mängd laddade natrium- och kloridjoner som binder starkt till varandra i alla riktningar och tillsammans NaCl bildar en stor enhet. I fast form bildas en saltkristall. ü Beteckningen NaCl säger enbart att det finns lika många av Na Natriumklorid resp. Cl och ingenting om den totala mängden. Det är viktigt att förstå att NaCl inte är en molekyl som består av 1 Na och 1 Cl. En enda stor enhet med ü Smältpunkten är 801 °C grader och kokpunkten 1465 °C grader. starka bindningar i alla riktningar. ü Består av vattenmolekyler som är uppbyggd av ett bestämt antal atomer (2 väteatomer och 1 syreatom). ü Beteckningen H2O betyder att varje vattenmolekyl består av 2 Molekylförening: väteatomer och 1 syremolekyl, varken mer eller mindre. ü Atomerna har partiella laddningar (syret är lite negativt och H2O väteatomerna lite positivt laddade). ü I fast form kan vattenmolekylerna kopplas ihop med svaga Vatten Många små specifika enheter bindningar i en kristallstruktur (iskristall). (vattenmolekyler) som binder till ü Smältpunkten är 0 °C grader och kokpunkten 100 °C grader. varandra med svaga bindningar.  Jonbindning är en elektrostatisk attraktion - + - + - + - + - + - + - + - Positiva joner (katjoner) attraheras av negativa joner (anjoner) och negativa joner attraheras av positiva joner. Detta sker i alla riktningar. Positiva joner är positiva p.g.a. ett elektronunderskott (har avgivit en eller flera elektroner). Negativa joner är negativa p.g.a. ett elektronöverskott (har upptagit en eller flera elektroner). Metaller och ickemetaller bildar jonföreningar Metaller: Avger valenselektroner och bildar positiva joner Ickemetaller: Upptar valenselektroner och bildar p.g.a. låg elektronegativitet. negativa joner p.g.a. hög elektronegativitet. +1 H+ H- +2 +3 -3 -2 -1 Li+ Be2+ N3- O2- F- Na+ Mg2+ Al3+ S2- Cl- K+ Ca2+ Ga3+ Br- Rb+ Sr2+ I- Cs+ Ba2+ Fr+ Ra2+ Positiva metalljoner + Negativa ickemetalljoner à Jonförening  Saltet natriumklorid kan bildas genom att klorgas reagerar med natriummetall 2e- Cl2 (g) + 2Na (s) à 2NaCl (s) ü Klormolekyler (i gasform) kan reagera med natriumatomer, i en bit natriummetall, om de krockar med tillräckligt hög fart. Varje enskild kloratom kommer då (p.g.a. hög elektronegativitet) dra åt sig en valenselektron från en natriumatom (låg elektronegativitet) och det bildas då negativa kloridjoner och positiva natriumjoner som sedan kan slå sig samman och bilda jonföreningen natriumklorid. ü Ovanstående reaktionsformel visar förhållandet (proportionen) mellan de ingående ämnena och inte det faktiska antalet (som egentligen är mycket stort). Bildkälla: By Antoni Salvà (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons  När klorgasmolekyler krockar med natriumatomer sker en elektronöverföring Natrium har en valenselektron… Cl är bra på att attrahera elektroner (hög …och klor har 7 valenselektroner. elektronegativitet) och ”stjäl” natriums valenselektron. Na Cl När det sker får båda ämnena 11+ 17+ ädelgasstruktur. Natriumatomen blir då positivt laddad (positiv jon) medan kloratomen blir negativt laddad (negativ jon). ü De positiva natriumjonerna och de negativa kloridjonerna kommer nu attraheras av varandras laddningar och det uppstår därmed jonbindningar mellan jonerna (elektrostatisk attraktion). Jonbindningar är starka och stabila bindningar. ü När jonbindningar uppkommer minskar elektronernas energi (och därmed atomernas/jonernas energi) vilket är en viktig drivkraft för uppkomsten av dessa bindningar. Na+ + - Cl- 11+ 17+ ü Jonförening/salt: Den förening som uppstår kallas för en ”jonförening” eller ”salt”. Det är dock viktigt att förstå att en jonförening eller ett salt inte enbart består av 1 positiv jon och 1 negativ jon som binder till varandra utan av ett stort antal joner som sitter bundna till varandra i ett speciellt och regelbundet tredimensionellt mönster (kallas för en saltkristall).  Uppgift 1: Syrgas reagerar med magnesium och saltet magnesiumoxid bildas. a) Vilket ämne avger resp. upptar elektroner? b) Vilket ämne bildar positiva joner och vilket ämne bildar negativa joner? Svar: Magnesiumatomerna har enbart 2 valenselektroner och låg elektronegativitet (3 skal och enbart +2 i nettoladdning) och har därför lätt för att avge valenselektroner. Syreatomerna i syrgasen har däremot hög elektronegativitet (2 skal och +6 i nettoladdning) och upptar därför valenselektroner mycket lätt. a) När syrgasen reagerar med magnesiummetallen kommer valenselektroner avges från magnesiumatomerna till syreatomerna. b) Magnesiumatomerna blir positivt laddade (Mg2+) medan syreatomerna blir negativt laddade (O2-).  Uppgift 2: Vilken laddning får följande atomer när dessa joniseras? a) Na b) F c) O d) Ca e) H f) N Svar: a) Na+ (grupp 1, 1 valenselektron, låg elektronegativitet, avger 1 elektron) b) F- (grupp 17, 7 valenselektroner, plats för 1 valenselektron till, hög elektronegativitet, tar upp 1 elektron) c) O2- (grupp 16, 6 valenselektroner, plats för 2 valenselektroner till, hög elektronegativitet, tar upp 2 elektroner) d) Ca2+ (grupp 2, 2 valenselektroner, låg elektronegativitet, avger 2 elektroner) e) H+ / H- (grupp 1, 1 valenselektron, låg elektronegativitet, avger 1 elektron vid reaktion med ickemetaller, upptar 1 elektron vid reaktion med metaller p.g.a. att dessa har ännu lägre elektronegativitet) f) N3- (grupp 15, 5 valenselektroner, plats för 3 valenselektroner till, hög elektronegativitet, tar upp 3 elektroner)  Uppgift 3: a) Vad händer med radien när magnesium joniseras? b) Vad händer med radien när klor joniseras? Svar: a) Den minskar eftersom magnesium ”förlorar” ett skal när den avger sina 2 valenselektroner. b) Den ökar litegrann eftersom klor får 1 extra elektron som kommer repellera de andra elektronerna litegrann (elektronerna i valensskalet kommer då ta upp lite mer plats). - - - Mg - - Mg2+ - - - - - - - +12 Jonisering +12 - - - - - - - - - - - -  Uppgift 4: Vilket av följande ämnen har minst radie? a) Na+ b) F Svar: Både Na+ och F har 2 skal (när natrium joniseras förlorar natrium sitt tredje skal). 11+ 9+ Na+ har dock fler protoner i atomkärnan vilket innebär att valensskalet dras lite närmare kärnan hos Na+ jämfört med hos F. Na+ F Svaret är alltså att Na+ har minst radie.  Joniseringsenergi ü Joniseringsenergi: Den energi som krävs för att avlägsna en elektron från en atom (det är i regel valenselektronerna som avlägsnas) så att atomen blir till en jon. ü Första joniseringsenergin: Den energi som krävs för att avlägsna den första elektronen från en atom. Denna elektron avlägsnas från en oladdad atom. ü Andra joniseringsenergin: Den energi som krävs för att ta bort ytterligare en elektron från samma atom. ü Tredje, fjärde etc. joniseringsenergin: Varje elektron i atomen kan i teorin avlägsnas om vi tillsätter tillräckligt mycket energi. Den energi som krävs för att avlägsna den tredje elektronen kallas för tredje joniseringsenergin etc. ü Elektronegativiteten påverkar joniseringsenergin: Det krävs en högre joniseringsenergi för att avlägsna elektroner från ämnen med hög elektronegativitet jämfört med ämnen som har låg elektronegativitet eftersom elektronerna då sitter hårdare bundna till atomkärnan.  Uppgift 5: a) Hur ändras joniseringsenergin om man går nedåt i grupp 1? b) Hur ändras joniseringsenergin om man går till höger i period 2? Svar: a) Den minskar eftersom elektronegativiteten minskar när vi går nedåt i en grupp. Elektronegativiteten minskar eftersom atomradien ökar. En ökad atomradie innebär att valenselektronerna inte känner av atomkärnan lika bra och lossnar därför lättare. b) Den ökar p.g.a. att elektronegativiteten ökar när vi går åt höger i en period. Elektronegativiteten ökar eftersom nettoladdning blir högre. Högre nettoladdning innebär att valenselektronerna attraheras mer av atomkärnan och därför inte lossnar lika lätt. Tips: Se min film ”Kovalenta bindningar, elektronegativitet och elektronformler” om du vill repetera vad elektronegativitet och nettoladdning egentligen innebär.  Uppgift 6: a) Hos en magnesiumatom är den andra joniseringsenergin lite högre jämfört med den första joniseringsenergin. Förklara varför. b) Den tredje joniseringsenergin är mycket högre än den andra joniseringsenergin hos en magnesiumatom. Förklara varför. Svar: a) Den första elektronen lämnar en oladdad atom. Den andra elektronen ska däremot lämna en laddad atom (en jon med laddningen +1). Det krävs därför mer energi för att den andra elektronen ska lossna. b) Magnesium har 2 valenselektroner. Båda dessa elektroner lämnar det tredje skalet. Skillnaden är därför inte så stor mellan deras joniseringsenergier. Den tredje elektronen ska däremot avges från det andra skalet som sitter betydligt närmare atomkärnan än det tredje skalet. Ju närmare atomkärnan desto hårdare sitter elektronerna fast. Nettoladdningen (effektiva kärnladdningen) hos Mg2+ är +10 (jämfört med +2 hos Mg), eftersom det inte är lika många elektroner som avskärmar valenselektronerna från atomkärnan, vilket ytterligare försvårar för den 3:e elektronen att lämna.  Se gärna nästa film i serien: Jonföreningar och jonbindningar - del 2: o Atomjonernas namn o Namngivning av olika jonföreningar. o Hur man skriver den kemiska beteckningen/formeln för olika jonföreningar. o Sammansatta joner. o Jonföreningarnas egenskaper. o Hur jonföreningar bildas/framställs. o Löslighet i vatten. o Utfällningar/fällningar. Se gärna fler filmer av Niklas Dahrén: http://www.youtube.com/Kemilektioner http://www.youtube.com/Medicinlektioner