ترکیبات یونی متشکل از تعداد زیادی آنیون ، کاتیون که با طرح معین هندسی در کنار هم قرار گرفته‌اند یک بلور بوجود می‌آورند. هر بلور ، به سبب جاذبه‌های منفی ـ مثبت یونها به هم نگهداشته شده است. فرمول شیمیایی یک ترکیب یونی نشانه ساده‌ترین نسبت یونهای مختلف برای به وجود آوردن بلوری است که از نظر الکتریکی خنثی باشد.

 تعریف

پیوند یونی IonicBond

پیوند یونی جاذبه‌ای است که بین یونهای مثبت و منفی وجود دارد و آنها را در یک ساختار بلورین به هم نگه می‌دارد. این پیوند ناشی از انتقال الکترون بین اتم هاست.

 ماهیت یون

وقتی اتم‌ها به یون تبدیل می‌شوند خواص آنها شدیدا تغییرمیکند مثلا مجموعه‌ای از مولکولهای برم قرمز است. اما یونهای در رنگ بلورماده مرکب هیچ دخالتی ندارند. یک قطعه سدیم شامل اتم‌های سدیم‌ نرم است خواص فلزی دارد و بر آب به شدت اثر می‌کند اما یونهای در آب پایدارند. مجموعه بزرگی از مولکولهای کلر ، گازی سمّی به زرد مایل به سبز است ولی یونهای کلرید مواد مرکب رنگ ایجاد نمی‌کنند و سمّی نیستند. به همین لحاظ است که یونهای سدیم و کلر را به صورت نمک طعام می‌توان بدون ترس از واکنش شدید روی گوجه فرنگی ریخت. وقتی اتم‌ها به صورت یون در می‌آیند ماهیت آنها آشکارا تغییر می‌کند.  

 خواص مواد مرکب یونی

• رسانایی الکتریکی :
  رسانایی الکتریکی مواد مرکب یونی مذاب به این علت است که وقتی قطب‌هایی با بار مخالف در این مواد مذاب قرار گیرد و میدان الکتریکی برقرارشود یونها آزادانه به حرکت در می‌آیند این حرکت یونها بار یا جریان را از یک جا به جای دیگر منتقل می‌کنند. در جسم جامد که یونها بی‌حرکت‌اند و نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند جسم خاصیت رسانای الکتریکی ندارد.

• سختی :
  سختی مواد مرکب یونی به علت پیوند محکم میان یونهای با بار مخالف است. برای پیوندهای قوی انرژی بسیاری لازم است تا یون‌ها از هم جدا شوند و امکان حرکت آزاد حالت مذاب را پیداکنند. انرژی زیاد به معنی نقطه جوش بالا است که خود از ویژگی‌های مواد مرکب یونی است.

• شکنندگی :
  مواد مرکب یونی شکننده‌اند. زیرا که ساختار جامد آنها آرایه منظمی از یونهاست. مثلا ساختار سدیم کلرید (NaCl) را در نظر بگیرید. هرگاه یک سطح از یونها فقط به فاصله یک یون در هر جهت جابجا شود یونهایی که بار مشابه دارند درکنار یکدیگر قرار می‌گیرند و یکدیگر را دفع می‌کنند و چون جاذبه‌ای در کار نیست بلور می‌شکند. سدیم کلرید را نمی‌توان با چکش کاری به ورقه‌های نازک تبدیل کرد با چنین عملی بلور نمک خرد و از هم پاشیده می‌شود.

 گروههای حاوی پیوند یونی

عناصرگروه IA (یا فلزات قلیایی) یعنی Li ، Na ، K ، Rb ، Cs هر یک به ترتیب یک الکترون بیشتر از گازهای نجیب He ، Kr ، Ne ، Ar ، Xe دارند. اگر هر یک از این فلزات ازهر اتم یک الکترون از دست بدهند، جزء باقیمانده آرایش الکترونی گاز نجیب متناظر خود را پیدا می‌کند. مثلا ،Li یک الکترون والانس در آرایش حالت پایه دارد. از دست دادن یک الکترون موجب می‌شود که

Li ساختار الکترونی He را پیداکند. یک اتم Li که فقط دو الکترون و سه پروتون داشته باشد بار +1 خواهد داشت. یک اتم باردار مانند یا یک گروه از اتم‌های باردار ، مانند گروه سولفات را یون می‌گویند.

• عناصر گروه در جدول تناوبی (فلزات قلیایی خاکی) هریک دو الکترون والانس دارند. پس برای اینکه mg ، ca ، sr ، ba ساختار گاز نجیب را به دست آورند اتم‌های هرعنصر باید دو الکترون از دست بدهند. از دست رفتن دو الکترون موجب می‌شود که دو پروتون در هسته خنثی نشده بماند. پس هر یون بار +2 خواهد داشت. برای جدا شدن سومین الکترون لازم است جفت الکترونهای تراز اصلی با انرژی پایین‌تر شکسته شود. این امر انرژی زیادتری می‌خواهد. جداشدن الکترونها از فلزات و تشکیل یونهای مثبت حاصل از آنها را می‌توان به راههای مختلف ترسیم کرد.

• باریم

پس جدا شدن یک الکترون از یک اتم معین جداشدن الکترونهای بعدی به ترتیب مشکلتر می‌شود. زیرا با از دست رفتن هر الکترون بار مؤثر زیادتری می‌شود و الکترونهای باقیمانده را محکمتر نگاه می‌دارد. بطور خلاصه یونهای مثبت وقتی تشکیل می‌شوند که اتم‌های فلزی یک الکترون (گروهIA ) دو الکترون (گروهIIA) ویا سه الکترون (گروهIIIA) به اتم‌های غیر فلزی می‌دهند. یونهای حاصل آرایش الکترونی یکسان با یک گاز نجیب دارند.

• هالوژنها:

یونهای مثبت در حضور یونهای منفی پایدار می‌شوند. خنثی شدن بار ، هر دو نوع یون را پایدار می‌کند. یونهای منفی پایدار ، از اتم‌هایی که شش یا هفت الکترون والانس دارند ، تولید می‌شوند.اینگونه اتم‌ها آنقدر الکترون بدست می‌آورند تا ساختار گاز نجیب را پیدا کنند. مثلا اتم‌های عناصر گروه

VIIA (هالوژن‌ها) هفت الکترون والانس دارند و هر یک یک الکترون می‌خواهند آرایش الکترونی یک گاز نجیب را پیدا کنند. اگر اتم‌های

F ، Cl ، Br ، I هر یک ، یک الکترون بدست آورند، یونهای حاصل  به ترتیب آرایش الکترونی  گاز های نجیب را خواهند داشت.

ید

• گروه اکسیژن:
  اتم عناصر (VIA) برای رسیدن به ساختار الکترونی یک گاز نجیب هریک دو الکترون نیاز دارند. اضافه شدن دو الکترون به هم اتم سبب تولید می‌شود. روند به دست آوردن الکترون توسط غیرفلزات ، مانند از دست دادن الکترون توسط فلزات را می‌توان به راههای متفاوت ترسیم کرد. بطور خلاصه غیرفلزات یک ، دو ، یا سه الکترون از فلزات می‌گیرند و یون منفی ایجاد می‌کنند این یونهای منفی همگی الکترونهای والانس جفت شده و آرایش هشت الکترونی پایدار گازهای نجیب را دارند.

 

 فرمول شیمیایی مواد مرکب یونی

فرمول شیمیایی یک ماده مرکب از لحاظ الکتریکی خنثی است. خنثی بودن الکتریکی مستلزم آن است که شمار بارهای مثبت و منفی در بلور ماده مرکب برابر باشند. دو برای هر ، سه یون برای دو یون Al^3+و الی آخر. در بلور نمک طعام یونهای با جاذبه الکتریکی میان بارهای مخالف درجای خود نگاه داشته شده‌اند.

علاوه بر این برای خنثی بودن این ماده مرکب باید نسبت یونهای سدیم به یونهای کلرید 1 به 1 باشد. در این صورت ساده‌ترین فرمول آن خواهد بود. در ساختار بلورین هر یون سدیم با هر شش یون کلرید اطراف آن جذب می‌شود. به همین طریق هر یون کلرید با هر شش یون سدیم اطراف آن جذب می‌شود در ساختارهای یونی هیچ مولکول تک اتمی وجود ندارد، یعنی هیچ یون خاصی وجود ندارد که منحصرا به یک یون دیگر بپیوندد.   

 پیوند فلزی 

 

اطلاعات اولیه

خواص ویژه فلزات و اعداد کوئوردیناسیون به نسبت بالای شبکه بلور فلزها ، نشان می‌دهد که پیوند بین اتمهای فلز در شبکه بلور با سایر پیوندهای شیمیایی تفاوت دارد. پیوند درشبکه بلور فلزی نمی‌تواند از نوع یونی باشد زیرا تمام ذره‌ها در شبکه بلور فلزی یکسان‌اند فلزها درحالت جامد و مذاب جریان الکتریکی را ازخود عبور می‌دهند درمقابل ضربه و فشار مقاوم‌اند.

تعریف

بین اتمهای فلز در شبکه بلور پیوند ویژه‌ای وجود دارد که در اصطلاح پیوند فلزی نامیده می‌شود.

توجیه پیوند فلزی

انرژی یونش فلزات نسبت به غیر فلزات به نسبت کمتر و تعداد اوربیتالهای خالی لایه ظرفیت اتم آنها نسبت به تعداد الکترونهای لایه ظرفیت نیز کماست. از این رو ، تعدادی از الکترونهای سست لایه ظرفیت اتم فلز ، که در اصطلاح دریای الکترون فلزی نیز نامیده می‌شوند، باقیمانده اتمهای فلز را که دارای بارمثبت خواهند بود، فرا می‌گیرد. جاذبه الکتروستاتیک حاصل بین این ذره‌های مثبت فلزی و بارمنفی توده ابر الکترونی آزاد فلزی که سرتاسر شبکه بلور فلز را گرفته است. عامل پیوند بین ذره‌های فلز محسوب می‌شود و اتصال ذره‌های فلز را در شبکه و انسجام بلور فلزی را تأمین می‌کند. چون چنین پیوندی دارای جهت خاصی نیست و ذره‌های فلز نیز جابجا شدن در داخل توده ابر الکترون آزاد فلزی را در شبکه بلور دارند، از این رو ، به روشنی می‌توان بسیاری ازخواص ویژه مکانیکی فلزها ، مانند قابلیت چکش خواری ، مفتول شدن ، تورق و غیره را توجیه کرد.

توجیه خواص فلزات با پیوند فلزی  

 رسانایی الکتریکی :
جریان برق نتیجه جابجایی الکترون است. وقتی دو سر سیم برق رابه یک تکه فلز متصل کنیم از قطب مثبت جریان تعدادی الکترون از فلز خارج می‌شود، این کمبود الکترونی بر الکترونهای غیرمستقر در فلزات اثر گذاشته به نوبه خود آنها را به سمت خود می‌کشند. این امر باعث می‌شود که همان تعداد الکترون که از یک طرف خارج شده بود از طرف دیگر وارد شود و به این وسیله جریان الکتریسته انتقال یابد.  

 رسانایی گرمایی :
بر اثر گرم کردن فلز ، جنبش الکترونهای غیر مستقر افزایش می‌یابد و این جنبش از یک گوشه فلز به سایر قسمتهای آن منتقل می‌شود.

  

 درخشندگی و جلای فلزات :
تابش نور به سطح فلز باعث می‌شود که الکترونهای غیر مستقر در سطح فلز برانگیخته شده و به ترازهای بالاتر انرژی بروند. بازگشت این الکترونها باعث می‌شود که امواج نور مرئی از سطح فلز بازتابیده شود. در مورد فلزات رنگین بازگشت الکترونها تنها طول موج معینی را که مربوط به رنگ فلز است بازتاب می‌کند.  

 پدیده‌های فوتوالکتریک و ترموالکتریک :
وقتی انرژی کافی (نورانی یا گرمایی) به فلز داده شود برانگیخته شدن الکترون بدان حد می‌رسد که الکترون از فلز جدا شود. هرگاه دستگاه مناسبی فراهم کنیم می‌توانیم الکنرون جدا شده را درمدار به جریان در آورده الکتریسته تولید کنیم.

 چکش خواری :
وقتی ضربه‌ای به فلز وارد می‌شود یونهای مثبت در دریای الکترون منفی جابجا می‌شوند ولی دریای بار منفی پیوستگی تکه فلز را حفظ می‌کند.

طول و شعاع پیوند فلزی

در مورد فلزها اصطلاح طول پیوند فلزی به فاصله تعادلی بین هسته دو اتم مجاور در شبکه بلور فلزها اطلاق می‌شود. بر حسب قرار داد نصف طول پیوند فلزی را ، شعاع فلزی می‌نامند که گاهی شعاع اتمی فلز نیز نامیده می‌شود. باید توجه داشت که شعاع فلزی به سیستم بلوری فلز وابستگی دارد. یعنی اگر فلزی در چند سیستم متمایز متبلور شود شعاع فلزی آن در سیستمهای گوناگون یکسان نخواهد بود. بررسی‌ها و محاسبه‌ها نشان داده است که هرچند عدد کوئوردیناسیون اتم فلز در شبکه بلور بزرگتر باشد طول شعاع فلزی آن افزایش می یابد.

با توجه به اینکه در پیوند فلزی بر خلاف پیوند کوالانسی همپوشانی بین اوربیتالهای دو اتم صورت نمی‌گیرد، انتظار می‌رود که طول پیوند کوالانسی آن بیشتر باشد که تجربه نیز چنین رویدادی را تأیید می‌کند. بدیهی است که شعاع فلزی نیز از شعاع کوالانسی بزرگتر است. شعاع اتمی فلز قلیایی در هر دوره نسبت به شعاع اتمی عنصرهای دیگر آن دوره به نسبت بزرگتر است. و پس از فلزات قلیایی خاکی در هر دوره بویژه از دوره چهارم به بعد اندازه شعاع اتمی به شدت کاهش می‌یابد.

 

 این کاهش شدید اندازه شعاع را باید از یک طرف به بالا بودن سطح تراز S لایه ظرفیت اتم عنصرهای قلیایی خاکی و قلیایی و پایین بودن سطح تراز d لایه ظرفیت فلزات واسطه و گسترده بودن اوربیتالهای d در این عنصر مثبت داد. زیرا به دلیل عمقی و گسترده بودن اوربیتالهای d ، ابر بار الکترونها در آنها گسترده است و اثر پوششی ناچیزی در مقابل تأثیر بار هسته اتم برلایه خارجی اتم اعمال می‌کنند. از این رو بر اثر بالا رفتن بیش ازحد انتظار مقدار بار مؤثر هسته اتم فلزهای واسطه اندازه شعاع آنها به شدت کاهش می‌یابد.

روند تغییر اندازه شعاع‌ها در مورد فلزهای واسطه هر دوره جالب توجه و برخلاف روند عادی آن در مورد تغییر شعاع عنصرهای اصلی در دوره‌ هاست. البته این روند به وضعیت الکترونی ویژه آنها بستگی دارد. با توجه به قابلیت انعطاف و تغییر شکل ناپذیری که نتیجه قابلیت تحرک پیوند فلزی است انتظار می‌رود که قدرت پیوند بین دو اتم فلز در بلور فلزی از قدرت پیوند کوالانسی بین دو اتم آن در حالت گازی کمتر باشد.

انرژی پیوند فلزی

اندازه گیری گرمای تفکیک نشان می‌دهد که انرژی مولی پیوند فلزی در شبکه بلوری از انرژی مولی تفکیک پیوند کوالانسی آن به صورت مولکول دو اتمی بیشتر است. این رویداد را این طور می‌توان توجیه کرد که پیوند فلزی به تعداد نامحدود در تمام راستا در شبکه بلور فلزی تشکیل می‌شود در صورتی که چنین وضعیتی در حالت گازی فلزها وجود ندارد. از این رو با وجود اینکه بلور فلزی پیوستگی و پایداری زیادی دارد و پیوند فلزی در مجموع پیوندی قوی محسوب می‌شود. بدیهی است در هر گروه با افزایش عدد اتمی و بزرگتر شدن طول پیوند فلزی انرژی پیوند و گرمای تفکیک مولی فلز کاهش می‌یابد.