Gli ioni sono atomi o molecole che portano una carica elettrica. Un catione (uno ione positivo) si forma quando un atomo neutro perde uno o più elettroni dal suo guscio di valenza, e un anione (uno ione negativo) si forma quando un atomo neutro guadagna uno o più elettroni nel suo guscio di valenza. I composti composti da ioni sono chiamati composti ionici (o sali), e i loro ioni costituenti sono tenuti insieme da legami ionici: forze elettrostatiche di attrazione tra formazioni e anioni caricati in modo opposto.

Proprietà dei composti ionici

Le proprietà dei composti ionici fanno luce sulla natura dei legami ionici.

• I solidi ionici mostrano una struttura cristallina e tendono ad essere rigidi e fragili; tendono anche ad avere alti punti di fusione e ebollizione, il che suggerisce che i legami ionici sono molto forti.
• I solidi ionici sono anche poveri conduttori di elettricità per lo stesso motivo : la forza dei legami ionici impedisce agli ioni di muoversi liberamente allo stato solido.
• La maggior parte dei solidi ionici, tuttavia, si dissolve prontamente in acqua. Una volta sciolti o fusi, i composti ionici sono eccellenti conduttori di elettricità e calore perché gli ioni possono muoversi liberamente.

La formazione di composti ionici

Molti elementi metallici hanno un potenziale di ionizzazione relativamente basso e perdono facilmente elettroni. Questi elementi giacciono a sinistra in un periodo o vicino alla parte inferiore di un gruppo sulla tavola periodica. Gli atomi non metallici hanno affinità di elettroni relativamente elevate e quindi guadagnano facilmente elettroni persi dagli atomi metallici, riempiendo così i loro gusci di valenza. Gli elementi non metallici si trovano nell'angolo superiore destro della tavola periodica.

Poiché tutte le sostanze devono essere neutre dal punto di vista elettrico, il numero totale di cariche positive sui formazioni di un composto ionico deve essere uguale al numero totale di cariche negative sui suoi anioni. La formula di un composto ionico rappresenta il più semplice rapporto tra il numero di ioni necessario per dare un numero identico di cariche positive e negative.

I composti ionici formano strutture tridimensionali disposte regolarmente

È importante notare, tuttavia, che la formula per un composto ionico non rappresenta la disposizione fisica dei suoi ioni. Non è corretto fare riferimento alla "molecola" di cloruro di sodio (NaCl) perché non esiste un singolo legame ionico, di per sé, tra una coppia specifica di ioni sodio e cloruro. Le forze attrattive tra gli ioni sono isotrope - le stesse in tutte le direzioni - il che significa che ogni particolare ione è ugualmente attratto da tutti gli ioni vicini di carica opposta. Ciò si traduce nel fatto che gli ioni si sporcono in una struttura reticolare tridimensionale strettamente legata. Il cloruro di sodio, ad esempio, consiste in una disposizione regolare di un numero uguale di Na⁺ zioni e Cl^- anioni. La forte attrazione elettrostatica tra Na⁺ e Cl^- ioni li tiene strettamente insieme in NaCl solido. Richiede 769 kJ di energia per dissociare una talpa di NaCl solido in ioni Na^{+ e Cl} gassosi separati.

Strutture elettroniche delle formazioni

Quando si forma un catione, un atomo dell'elemento del gruppo principale tende a perdere tutti i suoi elettroni di valenza, assumendo così la struttura elettronica del gas nobile che lo precede nella tavola periodica.

• Per i gruppi 1 (metalli alcalini) e 2 (i metalli alcalini della terra), i numeri di gruppo sono uguali al numero di elettroni del guscio di valenza e, di conseguenza, alle cariche dei formazioni formate dagli atomi di questi elementi quando tutti gli elettroni del guscio di valenza vengono rimossi.
• Ad esempio, il calcio è un elemento del gruppo 2 i cui atomi neutri hanno 20 elettroni e una configurazione elettronica allo stato fondamentale di 1s²2s^{2 2}p⁶3s^{2 3}p⁶4s². Quando un atomo ca perde entrambi i suoi elettroni di valenza, il risultato è un catione con 18 elettroni, una carica 2+ e una configurazione elettronica di 1s²2s^{2 2}p⁶3s²3p⁶. Lo^{ione Ca 2+} è, quindi, isoelettronico con il gas nobile Ar.
• Per i gruppi 13-17, i numeri di gruppo superano il numero di elettroni di valenza di 10 (che rappresenta la possibilità di subshell d completi negli atomi di elementi nel quarto e nel periodo maggiore). Quindi, la carica di un catione formato dalla perdita di tutti gli elettroni di valenza è uguale al numero di gruppo meno 10. Ad esempio, l'alluminio (nel gruppo 13) forma 3+ ioni (Al³⁺).

Eccezioni

• Le eccezioni al comportamento previsto coinvolgono elementi verso la parte inferiore dei gruppi.
• Oltre agli ioni previsti Tl^3+,Sn^4+,Pb⁴⁺e Bi^5+,una perdita parziale degli elettroni del guscio di valenza di questi atomi può anche portare alla formazione di ioni Tl⁺, Sn^2+,Pb²⁺e Bi^3+. La formazione di queste formazioni 1+, 2+ e 3+ è attribuita all'effetto coppia inerte, che riflette l'energia relativamente bassa della coppia valenza s-elettrone per gli atomi degli elementi pesanti dei gruppi 13, 14 e 15.
• Anche mercurio (gruppo 12) presenta un comportamento inaspettato: forma uno ione biatomico, Hg₂²⁺ (uno ione formato da due atomi di mercurio, con un legame Hg-Hg), oltre allo ione monatomico atteso Hg²⁺ (formato da un solo atomo di mercurio).
• Gli elementi metallici di transizione e transizione interna si comportano in modo diverso rispetto agli elementi del gruppo principale. La maggior parte dei formazioni metalliche di transizione ha cariche 2+ o 3+ che derivano prima dalla perdita dei loro elettroni s più esterni, a volte seguiti dalla perdita di uno o due elettroni d dal guscio successivo a quello più esterno.
• Sebbene gli orbitali d degli elementi di transizione siano - secondo il principio di Aufbau - gli ultimi a riempirsi quando si costruizzano configurazioni di elettroni, gli elettroni s più esterni sono i primi ad essere persi quando questi atomi ionizzano. Quando i metalli di transizione interna formano ioni, di solito hanno una carica 3+, risultante dalla perdita dei loro elettroni s più esterni e di un elettrone d o f.

Strutture elettroniche degli anioni

La maggior parte degli anioni monatomici si forma quando un atomo neutro nonmetale guadagna abbastanza elettroni da riempire completamente i suoi orbitali s e p esterni, raggiungendo così la configurazione elettronica del successivo gas nobile. Quindi, è semplice determinare la carica su uno ione così negativo: la carica è uguale al numero di elettroni che devono essere guadagnati per riempire gli orbitali s e p dell'atomo genitore. L'ossigeno, ad esempio, ha la configurazione elettronica 1s²2²2p4 ,^mentrel'anione ossigeno ha la configurazione elettronica del gas nobile neon (Ne), 1s²2s²2p⁶. I due elettroni aggiuntivi necessari per riempire gli orbitali di valenza danno allo ione ossido la carica di 2– (O^2–).

Questo testo è adattato da Openstax, Chemistry 2e, Section 7.3: Ionic Bonding.