Ionisäde
Kun atomi luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja, elektronien välinen hylkiminen ja ytimen suhteellinen vetovoima muuttuvat. Kationit ovat siksi yleensä neutraalia atomia pienempiä ja anionit suurempia. Ionisäde ei silti ole kovan pallon geometrinen reuna, vaan kristallirakenteista johdettu tehokas mitta.
Mitä ionisäde tarkoittaa
Ionisäde on rakenteellinen malli
Kiteessä mitataan ioniytimien välisiä etäisyyksiä. Nämä etäisyydet jaetaan valitun sädeasteikon avulla kahden ionin tehokkaiksi osuuksiksi. Siksi taulukkoarvo liittyy tiettyyn varaukseen, koordinaatiolukuun ja usein tiettyyn rakennekonventioon.
Elektronien poistaminen pienentää yleensä kationia
Elektronin poistaminen vähentää elektronien keskinäistä hylkimistä. Jos samalla tyhjenee uloin pääkuori, supistuminen voi olla hyvin suuri. Esimerkiksi Na⁺ on selvästi pienempi kuin neutraali Na-atomi.
Elektronien lisääminen suurentaa yleensä anionia
Lisäelektroni kasvattaa hylkimistä valenssialueella muuttamatta ydinvarausta. Elektronipilvi laajenee siksi usein, joten esimerkiksi Cl⁻ on suurempi kuin neutraali Cl.
Mikä määrää ionin koon
Isoelektroninen sarja eristää ydinvarauksen vaikutuksen
Ioneissa O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ja Al³⁺ on kaikissa kymmenen elektronia. Kun elektronimäärä on sama, protonien määrän kasvu lisää vetovoimaa ja säde pienenee järjestelmällisesti.
Koordinaatioluku muuttaa taulukoitua sädettä
Samalla ionilla voi olla eri tehokas säde tetraedrisessa, oktaedrisessa tai korkeamman koordinaation ympäristössä. Siksi kristallikemiassa säde on mielekäs vain yhdessä koordinaatioluvun kanssa.
Hapetusaste muuttaa kokoa
Samalle alkuaineelle suurempi positiivinen hapetusaste merkitsee yleensä pienempää sädettä. Fe³⁺ on samalla koordinaatiolla pienempi kuin Fe²⁺, koska jäljellä olevat elektronit kokevat suuremman efektiivisen vetovoiman.
Ionikoon kemialliset seuraukset
Varaustiheys, polarisaatio ja rakenne
Pieni, moninkertaisesti varautunut ioni tuottaa voimakkaan sähkökentän. Se voi muuttaa naapurionin elektronipilveä ja lisätä sidoksen kovalenttista luonnetta verrattuna yksinkertaiseen ionipallomalliin.
Suuri polarisoiva kyky
Pienillä ja voimakkaasti positiivisilla kationeilla, kuten Al³⁺:lla, on suuri polarisoiva kyky. Ne vetävät elektronitiheyttä puoleensa ja vaikuttavat sidosten luonteeseen, liukoisuuteen ja rakenteeseen.
Suuri polarisoituvuus
Suuren, diffuusin elektronipilven anionit kuten I⁻ polarisoituvat helpommin kuin pienet kompaktit anionit. Tämä on keskeinen osa Fajansin sääntöjen fysikaalista perustaa.
Jaksolliset trendit vaativat vertailukelpoisia ioneja
Kaikille ioneille ei voi piirtää yhtä yleistä sädenuolta, koska alkuaineet muodostavat eri varauksia. Vertailun pitää koskea samaa varaustyyppiä, isoelektronista sarjaa tai samaa koordinaatioympäristöä.
Hydrataatio ja hilaenergia
Pienet, voimakkaasti varautuneet ionit sitovat vesimolekyylejä vahvasti ja niiden hydrataatioentalpia on usein suuri. Pieni ionien välinen etäisyys kasvattaa myös Coulombin vetovoimaa ja voi suurentaa ionikiteen hilaenergiaa.
Säde ei yksin ennusta kiderakennetta
Sädesuhteet ovat hyödyllisiä heuristiikkoja, mutta todelliseen rakenteeseen vaikuttavat myös polarisoituvuus, elektronirakenne, kovalenttinen luonne, paine ja lämpötila. Rakennetta ei siksi voi johtaa yhdestä sädesuhteesta.
Harjoitukset
Isoelektroninen sarja
Järjestä O²⁻, F⁻, Na⁺ ja Mg²⁺ suurimmasta pienimpään ionisäteeseen.
Ratkaisu
O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺. Kaikissa on kymmenen elektronia, joten suurempi protonimäärä vetää saman elektronijoukon tiukemmin kokoon.
Fe²⁺ ja Fe³⁺
Kumpi on yleensä pienempi samalla koordinaatiolla, Fe²⁺ vai Fe³⁺?
Ratkaisu
Fe³⁺, koska suurempi positiivinen varaus merkitsee voimakkaampaa efektiivistä vetovoimaa jäljellä oleviin elektroneihin.
Koordinaatio
Miksi tarkka ionisäde pitää ilmoittaa yhdessä koordinaatioluvun kanssa?
Ratkaisu
Koska rakenteesta johdettu tehokas säde muuttuu sen mukaan, kuinka monta naapuri-ionia ympäröi ionia ja millainen geometria muodostuu.