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.

kationipienempiatomianionisuurempipoista elektroneja → vähemmän hylkimistä, usein uloimman kuoren menetyslisää elektroneja → enemmän hylkimistä valenssialueella
Kationit yleensä supistuvat ja anionit laajenevat. Elektronimäärä muuttuu, mutta saman alkuaineen ydinvaraus pysyy samana.

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.

10 elektronia kullakinO²⁻8 p⁺F⁻9 p⁺Na⁺11 p⁺Mg²⁺12 p⁺Al³⁺13 p⁺pienenevä koko →
Isoelektronisessa sarjassa ydinvarauksen vaikutus näkyy puhtaasti. Samalla elektronimäärällä suurempi protonimäärä merkitsee pienempää sädettä.

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.