Iontová sloučenina

Rozbalit box

Obsah boxu

Iontová sloučenina je chemická sloučenina složená z iontů, které jsou k sobě vázány elektrostatickými silami označovanými jako iontová vazba. Sloučenina je celkově elektricky neutrální, ale skládá se z kladně nabitých iontů zvaných kationty a záporně nabitých iontů zvaných anionty. Kationty jsou typicky tvořeny kovovými prvky (např. sodík Na⁺, vápník Ca²⁺) a anionty nekovovými prvky nebo polyatomickými ionty (např. chlorid Cl⁻, síran SO₄²⁻).

Iontové sloučeniny netvoří samostatné molekuly, ale uspořádané trojrozměrné struktury zvané krystalové mřížky. Díky silným vazbám v těchto mřížkách mají iontové sloučeniny charakteristické vlastnosti, jako jsou vysoké teploty tání a varu, tvrdost a křehkost. V pevném stavu nevedou elektrický proud, ale stávají se vodivými v tavenině nebo po rozpuštění v polárním rozpouštědle, jako je voda. Běžným příkladem iontové sloučeniny je chlorid sodný (NaCl), známý jako kuchyňská sůl.

⚛️ Vznik a podstata

Iontové sloučeniny vznikají reakcí mezi prvky s výrazně odlišnou elektronegativitou. Typicky se jedná o reakci mezi kovem (nízká elektronegativita) a nekovovým prvkem (vysoká elektronegativita). Rozdíl elektronegativit pro vznik iontové vazby je zpravidla větší než 1,7.

Proces vzniku lze popsat v několika krocích: 1. Tvorba kationtu: Atom kovu s nízkou ionizační energií snadno odevzdá jeden nebo více svých valenčních elektronů, aby dosáhl stabilní elektronové konfigurace, obvykle konfigurace předchozího vzácného plynu. Tímto procesem, zvaným oxidace, vzniká kladně nabitý kationt.

   *   Příklad: Na → Na⁺ + e⁻

2. Tvorba aniontu: Atom nekovu s vysokou elektronovou afinitou přijme jeden nebo více elektronů odevzdaných kovem, aby dosáhl stabilní elektronové konfigurace, obvykle konfigurace následujícího vzácného plynu. Tímto procesem, zvaným redukce, vzniká záporně nabitý aniont.

   *   Příklad: Cl + e⁻ → Cl⁻

3. Vznik iontové vazby: Vzniklé opačně nabité ionty (kationt a aniont) jsou k sobě přitahovány silnými elektrostatickými silami. Tato přitažlivá síla, působící mezi všemi sousedními ionty s opačným nábojem, tvoří iontovou vazbu a vede k uspořádání iontů do energeticky velmi stabilní krystalové mřížky.

Celková energie, která se uvolní při vzniku jednoho molu iontové sloučeniny z prvků v jejich standardním stavu, se nazývá slučovací teplo. Stabilita krystalové mřížky je kvantifikována pomocí mřížkové energie.

🔬 Struktura

Na rozdíl od kovalentních sloučenin, které tvoří diskrétní molekuly, iontové sloučeniny vytvářejí rozsáhlé, pravidelně uspořádané trojrozměrné struktury známé jako krystalové mřížky (nebo iontové krystaly). V této mřížce je každý ion obklopen určitým počtem iontů s opačným nábojem. Tento počet se nazývá koordinační číslo.

Například v krystalu chloridu sodného (NaCl) má každý ion Na⁺ koordinační číslo 6, protože je obklopen šesti ionty Cl⁻. Stejně tak je každý ion Cl⁻ obklopen šesti ionty Na⁺. Toto uspořádání maximalizuje přitažlivé síly mezi opačnými náboji a minimalizuje odpudivé síly mezi souhlasnými náboji, což vede k vysoké stabilitě krystalu.

Typ krystalové mřížky závisí na poměru velikostí kationtu a aniontu a na poměru jejich nábojů. Mezi běžné typy mřížek patří:

**Struktura typu NaCl:** (kubická plošně centrovaná) – např. NaCl, KBr, MgO.
**Struktura typu CsCl:** (kubická prostorově centrovaná) – např. CsCl, CsBr.
**Struktura typu fluoritu (CaF₂):** – např. CaF₂, UO₂.
**Struktura typu sfaleritu (ZnS):** – např. ZnS, GaAs.

✨ Vlastnosti

Charakteristické vlastnosti iontových sloučenin jsou přímým důsledkem silných elektrostatických vazeb v jejich krystalové mřížce.

🌡️ Fyzikální vlastnosti

Skupenství: Za standardních podmínek (pokojová teplota a tlak) jsou téměř všechny iontové sloučeniny pevné krystalické látky.
Teplota tání a varu: Mají velmi vysoké teploty tání a varu. K narušení silných vazeb v krystalové mřížce a převedení látky do kapalného nebo plynného stavu je zapotřebí velké množství energie. Například NaCl taje při 801 °C a vře při 1413 °C.
Tvrdost a křehkost: Iontové krystaly jsou obvykle velmi tvrdé, protože je obtížné posunout ionty z jejich pevných pozic v mřížce. Zároveň jsou však křehké. Působením vnější síly (např. úderem) může dojít k posunutí vrstev iontů. Tím se k sobě dostanou ionty se stejným nábojem, jejich vzájemné elektrostatické odpuzování způsobí rozštípnutí krystalu podél roviny posunu.
Rozpustnost: Mnoho iontových sloučenin je dobře rozpustných v polárních rozpouštědlech, jako je voda. Molekuly vody obklopí jednotlivé ionty (proces zvaný hydratace) a svými polárními konci neutralizují jejich náboj. Energie uvolněná hydratací (hydratační entalpie) musí být větší než mřížková energie, aby došlo k rozpuštění. V nepolárních rozpouštědlech (např. benzen, hexan) jsou iontové sloučeniny zpravidla nerozpustné.

⚡ Elektrická vodivost

Elektrická vodivost iontových sloučenin zásadně závisí na jejich skupenství:

V pevném stavu: Jsou elektrickými izolanty (nevedou elektrický proud). Ionty jsou pevně vázány v krystalové mřížce a nemohou se volně pohybovat, aby přenášely elektrický náboj.
V tavenině nebo v roztoku: Stávají se elektrickými vodiči. Tavením nebo rozpuštěním se ionty uvolní z mřížky a mohou se volně pohybovat. Připojením ke zdroji stejnosměrného napětí se kationty pohybují k záporné elektrodě (katoda) a anionty ke kladné elektrodě (anoda), čímž umožňují průchod proudu. Látky, které v roztoku nebo tavenině vedou elektrický proud, se nazývají elektrolyty.

🧪 Názvosloví a příklady

Názvosloví anorganických iontových sloučenin v češtině se řídí jasnými pravidly. Název se skládá ze dvou částí: 1. **Podstatné jméno:** Odvozené od názvu aniontu, obvykle s koncovkou -id (pro jednoduché anionty), -an (pro anionty končící na -ate v angličtině), -itan (pro -ite), atd. 2. **Přídavné jméno:** Odvozené od názvu kationtu, přičemž koncovka udává jeho oxidační číslo (-ný, -natý, -itý, -ičitý, -ičný/-ečný, -ový, -istý, -ičelý).

Pokud kov může tvořit kationty s různými náboji, musí být jeho oxidační stav v názvu specifikován.

📖 Příklady

Iontové sloučeniny jsou všudypřítomné v přírodě i v průmyslu.

Chlorid sodný (NaCl): Kuchyňská sůl, základní dochucovadlo a konzervační látka.
Uhličitan vápenatý (CaCO₃): Hlavní složka vápence, mramoru a křídy. Používá se ve stavebnictví a při výrobě cementu.
Hydroxid sodný (NaOH): Silná zásada známá jako louh, používaná při výrobě mýdel, papíru a čištění potrubí.
Síran měďnatý (CuSO₄): Modrá skalice, používá se jako fungicid v zemědělství a v galvanickém pokovování.
Dusičnan draselný (KNO₃): Ledek, složka střelného prachu a důležité hnojivo.
Fluorid sodný (NaF): Přidává se do zubních past a pitné vody jako prevence zubního kazu.

🌍 Výskyt a význam

Iontové sloučeniny tvoří většinu minerálů a hornin v zemské kůře. Oceány obsahují obrovské množství rozpuštěných solí, především chloridu sodného.

Mají zásadní význam v mnoha oblastech:

Biologie: Ionty jako Na⁺, K⁺, Ca²⁺ a Cl⁻ jsou klíčové elektrolyty v živých organismech. Udržují osmotický tlak, podílejí se na přenosu nervových vzruchů a svalové kontrakci. Hydroxyapatit, iontová sloučenina vápníku a fosfátu, je hlavní stavební složkou kostí a zubů.
Průmysl: Jsou základními surovinami v chemickém průmyslu pro výrobu kovů (elektrolýza), hnojiv, keramiky, skla a stavebních materiálů.
Geologie: Tvoří základ většiny nerostů, jako jsou halit (NaCl), kalcit (CaCO₃) nebo fluorit (CaF₂).
Potravinářství: Soli se používají jako dochucovadla, konzervanty a kypřicí látky (hydrogenuhličitan sodný).

🧑‍🏫 Pro laiky

Představte si iontovou sloučeninu jako stavebnici z magnetů. Některé atomy (kovy) jsou jako slabé magnety, které snadno "pustí" svůj magnetismus (elektron). Jiné atomy (nekovy) jsou naopak jako silné magnety, které tento "magnetismus" rády přitáhnou.

Když se takový "slabý" atom setká se "silným", elektron přeskočí z jednoho na druhý. Tím se z prvního stane kladně nabitý iont (ztratil záporný elektron) a z druhého záporně nabitý iont (získal záporný elektron). Nyní máme dva opačně nabité magnety, které se k sobě velmi silně přitahují.

Tyto "magnety" se ale nespokojí s jedním partnerem. Seskupí se do dokonale pravidelné 3D mřížky, kde je každý kladný magnet obklopen zápornými a naopak. Tato pevná struktura je důvodem, proč jsou soli (jako ta kuchyňská) pevné krystaly s vysokou teplotou tání – je potřeba hodně tepla, aby se tyto silné magnetické vazby rozbily.

Proč se sůl rozpustí ve vodě? Molekuly vody jsou jako malé magnetky, které vniknou do krystalové mřížky, obklopí jednotlivé ionty a odtáhnou je od sebe. A proč slaná voda vede proud? Protože v ní plavou volné nabité ionty, které mohou přenášet elektrický náboj z jednoho místa na druhé, podobně jako běžci štafetu. V pevném krystalu jsou ionty "zamrzlé" na místě a proud vést nemohou.

Šablona:Aktualizováno