Ionisidos

Ionisidos muodostuu, kun metalliatomi luovuttaa yhden tai useamman ulkoelektronin eli valenssielektronin epämetalliatomille. Koska luovutettujen elektronien sähkövaraus on negatiivinen (yksi alkeisvaraus), metalliatomista tulee positiivinen ioni, kationi, ja epämetalliatomista negatiivinen anioni. Positiivisen ja negatiivisen ionin välillä on sähköinen vuorovaikutus, vetovoima, mikä kiinnittää ne toisinssa. Syntynyttä vahvaa kemiallista sidosta kutsutaan ionisidokseksi.

Alla esimerkkinä ionisidoksen syntymisestä, kun natriumatomi (Na) luovuttaa ulkoelektroninsa fluoriatomille (F). Natrium kuuluu alkalimetallien ryhmään ja fluori halogeeneihin, joten kumpikin atomi saavuttaa oktetin yhden elektronin siirtymisellä natriumlta fluorille. Syntyy natrium-kationi ja fluoridi-anioni, ja yhdiste nimeltä natriumfluoridi (NaF), jota käytetään mm. fluorihammastahnoissa hammaskiillettä vahvistamaan sekä rotanmyrkkynä.

CC BY-SA 3.0, Link

Luovutettujen ja vastaanotettujen elektronien määrän tulee aina olla yhtä suuri, ja syntyneen ioniyhdisteen varaus tulee olla nolla. Jos metalliatomi luovuttaa useamman kuin yhden valenttielektronin, kuten maa-alkalimetallit ja kolmannen pääryhmän alumiini, tarvitaan useampi halogeeniatomi, jotta kaikki luovutetut elektronit tulevat vastaanotetuiksi. Täten kun esimerksi kalsium ja alumiini muodostavat fluorin kanssa ioniyhdisteet, yhdisteiden kaavat ovat CaF₂ ja AlF₃.

Fig. 20 Yhdistelmiä kationeista ja anioneista, jotta ioniyhdisteen varaus on nolla.

Kationit ja anionit järjestäytyvät kolmiulotteiseen rakenteeseen, jota kutsutaan ionihilaksi.

Public Domain, Link

Ionisidos tekee aineesta yleensä huoneenlämmössä kiinteän, kovan ja hauraan, koska ionit ovat järjestäytyneet tiiviiseen hilarakenteeseen eivätkä pysty liikkumaan toistensa suhteen. Ioniyhdisteille eli suoloille on tyypillistä korkeat sulamis- ja kiehumispisteet, koska vaaditaan suuri määrä energiaa ionien erottamiseen toisistaan. Esimerkiksi kuvien natriumfluoridin (NaF) sulamispiste on 993 °C ja kiehumispiste 1704 °C.

Koska luovutetut elektronit ovat sitoutuneet anionien ympärille, suolat eivät johda sähköä, sillä hilarakenteessa ei ole vapaita elektroneita, jotka voisivat liikkua hilarakenteen läpi. Sen sijaan suolasulate pystyy johtamaan sähköä, kun ionien lämpöliike on niin voimakasta, että ioniyhdisteen hilarakenne hajoaa ja ionit pystyvät liikkumaan toistensa lomassa. Höyrystettyä eli kaasumaisessa olomuodossa oleva ioniyhdiste, jonka ioneista irtoaa elektroneita, onkin jo esimerkki plasmasta.

Nimeäminen

Ioniyhdisteiden nimeäminen perustuu yhdisteen kationin ja anionin nimien yhdistämiseen seuraavasti:

1. Kationin nimi kirjoitetaan ensin. Kationi nimetään metalliatomin mukaan sellaisenaan, esimerkiksi Na⁺-ionin nimi on natrium.

2. Anionin nimi kirjoitetaan sen jälkeen. Anionin nimi päättyy “-di” -päätteeseen, esimerkiksi Cl- -ionin nimi on kloridi. Anionien nimet löytyvät osoitteesta Taulukot.com.

3. Kationin ja anionin nimet yhdistetään. Esimerkiksi yhdisteen NaCl nimi on natriumkloridi.

4. Jos kationi voi esiintyä usealla mahdollisella varauksella, sen varaus ilmaistaan roomalaisella numerolla sulkeissa nimen perässä. Esimerkiksi rautaoksidi ei ole tarpeeksi tarkka kuvaus ioniyhdisteestä, vaan roomalaisen kirjaimen avulla tehdään ero rauta(II)okdisidin (FeO) ja rauta(III)oksidin (Fe₂O₃) välillä.

5. Jos anioni on moniatominen, sillä on oma nimensä, kuten esimerkiksi NO₃^--ionin nimi on nitraatti ja SO₄^2--ionin nimi sulfaatti. Yleisimpien moniatomisten anionien nimet löytyvät myös taulukosta.

6. Ioniyhdisteiden nimiin ei lisätä ionien lukumääriä osoittavia liitteitä, kuten moni-, di-, tri- jne.

Esimerkki: ioniyhdisteiden nimiä

• CaCl₂ - kalsiumkloridi

• MgO - magnesiumoksidi

• Li₂SO₄ - litiumsulfaatti

• Al₂(SO₄)₃ - alumiinisulfaatti

• CrCl₃ - kromi(III)kloridi

Suolojen liuokoisuus veteen (siirtyy reaktioiden puolelle aikanaan)

Ioniyhdisteiden liukoisuus veteen riippuu mm. ionien koosta ja varauksista. Kooltaan ja varaukseltaan pienet ja yksinkertaiset ioniyhdisteet liukenevat yleensä helpommin kuin suuremmat ja monimutkaisemmat ioniyhdisteet. Suola on niukkaliukoinen, jos sitä liukenee litraan huoneenlämpöistä vettä alle yhden gramman verran (liukoisuus alle 0,1 g / 100 ml). Esimerkkejä niukkaliukoisista suoloista ovat bariumsulfaatti (BaSO₄), hopeakloridi (AgCl) ja lyijykloridi (PbCl₂). Taulukosta Suolojen liukoisuus veteen voidaan nähdä useimpien suolojen liukoisuus veteen.

Kun ioniyhdiste liukenee veteen, ionit irtoavat toisistaan ja sekoittuvat vesimolekyylien sekaan. Tämä tapahtuu, koska pienet pooliset vesimolekyylit pystyvät ympäröimään hilarakenteen uloimpia ioneja, kiinnittymään niihin ja heikentämään ionien välistä vetovoimaa. Tällöin ionit irtoavat yksitellen ionihilasta ja liukenevat veden sekaan. Tästä syytä suolojen vesiliuokset eli elektrolyytit johtavat sähköä.

Liukoisuus on riippuvainen lämpötilasta. Yleensä suolan liukoisuus kasvaa veden lämpötilan kasvaessa mutta näin ei läheskään aina ole, kuten alla olevasta kuvasta voidaan huomata. Esimerkiksi ruokasuolan (NaCl) liukoisuus ei juurikaan muutu lämpötilan funktiona.

CC BY 4.0, Link

Kun suolaa lisätään liuokseen yhä enemmissä määrin, jossain vaiheessa saavutetaan piste, jonka jälkeen suolaa ei enää liukene. Tällöin lisätty suola vajoaa astian pohjalle ja liuos on kylläinen liuos. Tässä linkki taulukkoon, jossa on lueteltuna kuinka suuri määrä suoloja liukenee 0 °C asteiseen veteen. Vaikka liuos voi olla kylläinen yhden suolan suhteen, siihen voi vielä liueta jotain toista suolaa.

On myös mahdollista valmistaa ylikylläinen liuos alentamalla kuuman kylläisen liuoksen lämpötilaa hallitusti. Esimerkiksi kädenlämmittimien toiminta perustuu natriumasetaatin (CH₃COO^-Na⁺) ylikylläiseen liuokseen. Kun liuoksen sisällä olevaa metallinappia naksauttaa, metallinapin nopea liike törmäyttää liuenneita ioneja tarpeeksi suurella voimalla toisiinsa ja aloittaa metallinapin pinnalla ketjureaktion, jonka seurauksena suolan kiteytyminen alkaa leviämään ympäröivään liuokseen.

Alla olevalla videolla esitellään ylikylläisen natriumasetaattiliuoksen valmistus ja kiteytymisreaktio.

Kun ionit ympäröivät itsensä vesimolekyyleillä, ionien ympärille muodostuu ns. hydraattiverho. Hydratoitunut metalli-ioni pystyy sitomaan ympärilleen eri määrän vesimolekyylejä riippuen kationin koosta ja varauksesta. Syntynyttä hydraattia (aine, johon on sitoutunut vettä) kutsutaan myös nimellä akvakompleksi. Esimerkiksi kuparikationi pystyy sitomaan ympärilleen kuusi vesimolekyyliä. Tällaiset kompleksi-ionit merkitään hakasulkeisiin, joissa keskusatomina eli ligandina toimivan kupari-ionin perään merkitään kiinnittyneiden molekyylien määrä sulkeisiin ja ionin varaus hakasulkeiden ulkopuolelle seuraavasti: [Cu(H₂O)₆]²⁺. Kun akvakompleksin vesiliuosta haihdutetaan, vesimolekyylit voivat joissain tapauksissa järjestäytyä kiteytyvän suolan hilarakenteen sekaan. Suola, jonka hilarakenne sisältää vesimolekyylejä, on nimeltään kidevedellinen suola. Kuparisulfaatti on vedettömänä eli anhydraattina kiinteää vaaleaa jauhetta mutta kidevedellisenä muodostaa sinertäviä kauniita kiteitä.

Fig. 21 Kidevedelllinen kupari(II)sulfaatin pentahydraatti CuSO₄ · 5 H₂O

Ionien ja vesimolekyylien välistä sidosta kutsutaan ionidipolisidokseksi, joka on esimerkki heikosta kemiallisesta sidoksta, joten siitä lisää kappaleessa Heikot kemialliset sidokset (linkki puuttuu).

CC BY 3.0, Link

Saostuminen

Yhdistämällä kahta eri suolaa samaan liuokseen on mahdollista saostaa liuoksesta jokin haluttu ioni pois siten, että syntyy niukkaliukoinen suola.

Esimerkki: hopean saostaminen liuoksesta

Hopeaioneja sisältävästä liuoksesta halutaan saostaa hopea pois. Kun liuokseen lisätään natriumkloridia, hopea- ja kloridi-ionit reagoivat keskenään ja muodostavat kiinteän hopeakloridisaostuman, joka painovoiman vaikutuksesta painuu reaktioastian pohjalle.

Reaktio voidaan esittää seuraavasti:

\(Ag^+ \text{(aq)} + Cl^- \text{(aq)} \to AgCl \text{(s)}\)

Reaktioyhtälössä merkintä (aq) (= aquous solution) tarkoittaa, että hopea- (Ag⁺) ja kloridi-ionit (Cl^-) ovat liuenneena veteen ja (s) (= solid) tarkoittaa pohjalle muodostuvaa kiinteää hopeakloridi (AgCl) saostumaa eli sakkaa.