Keemia võib paljudele kooliajast meenuda keerulise ja abstraktse teadusena, täis valemeid, mida oli raske pähe õppida. Tegelikkuses on keemia aga lihtne ja loogiline süsteem, mis selgitab, kuidas maailm meie ümber koos püsib. Üks fundamentaalsemaid kontseptsioone selles süsteemis on aatomitevaheline side. Miks aatomid üldse ühinevad? Miks nad ei võiks üksinda eksisteerida? Vastus peitub stabiilsuse püüdluses. Just nagu inimesed otsivad elus stabiilsust, otsivad seda ka aatomid, ning üks levinumaid ja tugevamaid viise selle saavutamiseks on iooniline side. See on looduse viis liita omavahel täiesti erinevate omadustega aineid – näiteks plahvatusohtlikku metalli ja mürgist gaasi – et moodustada midagi eluks hädavajalikku, nagu tavaline söögisool.
Mis on aatomite stabiilsuse saladus ehk oktetireegel?
Enne kui saame täpselt mõista, mis on iooniline side, peame vaatama aatomi sisse. Iga aatom koosneb tuumast ja selle ümber tiirlevatest elektronidest. Need elektronid ei paikne suvaliselt, vaid kindlatel orbiitidel ehk elektronkihtidel. Keemias kehtib kuldne reegel: aatom on kõige õnnelikum ja stabiilsem siis, kui tema välimine elektronkiht on maksimaalselt täidetud.
Enamiku elementide jaoks tähendab “täidetud kiht” kaheksat elektroni. Seda nimetatakse oktetireegliks. Perioodilisustabeli viimases rühmas asuvad väärisgaasid (nagu heelium, neoon ja argoon) on looduse poolt juba täiuslikud – neil on väline kiht täis. Seetõttu nad teiste ainetega naljalt ei reageeri. Kõik ülejäänud elemendid on aga “kadedad” ja otsivad viise, kuidas saavutada samasugune elektronide arv. Selleks on neil laias laastus kaks võimalust:
- Jagada elektrone sõbralikult teise aatomiga (kovalentne side).
- Varastada või loovutada elektrone täielikult (iooniline side).
Kuidas iooniline side definitsiooni järgi tekib?
Iooniline side on keemiline side, mis tekib elektrostaatilise tõmbejõu tulemusena vastasnimeliselt laetud ioonide vahel. Lihtsamalt öeldes on see side, mis moodustub siis, kui üks aatom annab oma elektroni täielikult ära ja teine võtab selle endale.
See protsess toimub tavaliselt kahe väga erineva iseloomuga elemendi vahel:
- Metallid: Neil on välisel kihil vähe elektrone (tavaliselt 1–3). Neil on lihtsam need vähesed ära anda, et paljastada nende all asuv täidetud kiht. Kui aatom loovutab elektroni (mis on negatiivse laenguga), muutub aatom ise positiivselt laetuks. Seda nimetatakse katiooniks.
- Mittemetallid: Neil on välisel kihil palju elektrone (tavaliselt 5–7). Neil on puudu vaid mõni üksik elektron, et kiht täis saada. Seega on nad väga agarad elektrone haarama. Kui aatom võtab elektroni juurde, muutub ta negatiivselt laetuks. Seda nimetatakse aniooniks.
Kui need kaks vastandit kohtuvad, toimub elektronide ülekandumine. Tekkinud positiivne ja negatiivne laeng tõmbuvad teineteise poole nagu väga tugevad magnetid. See tõmbejõud hoiabki aine koos.
Puuust ja punaseks näide: Söögisoola (NaCl) teke
Kõige klassikalisem näide ioonilisest sidemest on naatriumkloriid ehk tavaline lauasool. Vaatame samm-sammult, mis juhtub, kui naatrium (Na) ja kloor (Cl) kohtuvad.
1. Lähtepositsioon
Naatrium on pehme ja reaktiivne metall. Tema välisel kihil on vaid üks elektron. Ta tahab sellest meeleheitlikult lahti saada. Kloor on aga mürgine rohekas gaas, millel on välisel kihil seitse elektroni. Tal on täiuslikkusest puudu vaid üks elektron.
2. Tehing (Elektroni ülekanne)
Kui need aatomid satuvad teineteise mõjusfääri, haarab kloor agressiivselt naatriumi üksiku välise elektroni endale. Naatrium ei pane seda pahaks – vastupidi, ta loovutab selle hea meelega.
3. Tulemus (Ioonide teke)
Nüüd on olukord muutunud. Naatriumil on elektron vähem, seega domineerib tuuma positiivne laeng – tekkis naatriumioon (Na+). Klooril on üks elektron rohkem, seega tekkis kloriidioon (Cl-). Mõlemad aatomid on nüüd saavutanud stabiilse elektronkonfiguratsiooni (sarnase väärisgaasidele), kuid nad on nüüd elektriliselt laetud.
4. Side (Kristallvõre moodustumine)
Pluss ja miinus tõmbuvad. Kuid oluline on mõista, et see ei toimu vaid kahe aatomi vahel. Iga positiivne naatriumioon tõmbab enda ümber mitu negatiivset kloriidiooni ja vastupidi. Tekib hiiglaslik korrapärane struktuur, mida nimetatakse kristallvõreks. Just seetõttu on soolaterad mikroskoobi all vaadates korrapärased kuubikud.
Iooniliste ühendite peamised omadused
Kuna iooniline side on väga tugev, annab see ainetele spetsiifilised füüsikalised ja keemilised omadused, mida on lihtne igapäevaelus märgata.
Kõrge sulamis- ja keemistemperatuur
Kuna ioonidevaheline tõmbejõud on äärmiselt suur, on selle lõhkumiseks vaja väga palju energiat (soojust). Näiteks söögisool ei sula tavalisel pannil kuumutades – selle sulamiseks on vaja temperatuuri üle 800 °C. See eristab ioonilisi aineid molekulaarsetest ainetest (nagu suhkur või vaha), mis sulavad madalamatel temperatuuridel.
Haprus
Kuigi ioonilised kristallid on kõvad, on nad haprad. Kui lüüa soolakristalli haamriga, siis see puruneb kildudeks, mitte ei lähe laiaks nagu metall. Miks? Sest löök nihutab kristallvõre kihte nii, et kohakuti satuvad samanimelised laengud (pluss satub plussi vastu). Kuna samanimelised laengud tõukuvad, laguneb kristall koheselt.
Elektrijuhtivus
Tahkel kujul ioonilised ained elektrit ei juhi, sest ioonid on kristallvõres kindlalt kinni ja ei saa liikuda. Kui aga iooniline aine sulatada või vees lahustada, pääsevad ioonid vabadusse. Liikuvad laengud ongi elektrivoolu alus. Seega, soolane vesi juhib elektrit suurepäraselt, destilleeritud vesi aga peaaegu üldse mitte.
Kuidas eristada ioonilist sidet kovalentsest?
Keemia mõistmiseks on kriitilise tähtsusega teha vahet ioonilisel ja kovalentsel sidemel. Siin on lihtne võrdlustabel, mis aitab orienteeruda:
- Osalejad: Iooniline side on tavaliselt metalli ja mittemetalli vahel. Kovalentsed sidemed tekivad kahe mittemetalli vahel.
- Elektronide saatus: Ioonilises sidemes antakse elektronid ära (ülekandumine). Kovalentses sidemes jagatakse elektrone (ühine elektronpaar).
- Olek toatemperatuuril: Ioonilised ained on enamasti tahked kristallid. Kovalentsed ained võivad olla gaasid (hapnik), vedelikud (vesi) või tahkised.
- Polaarsus: Iooniline side on n-ö “ülim polaarne side”, kus laengute erinevus on maksimaalne.
Teaduslikum viis selle määramiseks on kasutada elektronegatiivsust. See on suurus, mis näitab aatomi võimet tõmmata elektrone enda poole. Kui kahe elemendi elektronegatiivsuste vahe on suurem kui 1,7 (mõnedel andmetel 1,9), loetakse side iooniliseks.
Korduma Kippuvad Küsimused (KKK)
Kas iooniline side on tugevam kui kovalentne side?
See on konksuga küsimus. Absoluutses mõttes (vaakumis) on iooniline side äärmiselt tugev, mida tõestavad kõrged sulamistemperatuurid. Siiski on iooniline side veekeskkonnas väga “nõrk” – vesi suudab ioonid kergesti üksteisest eraldada (lahustumine). Kovalentsed sidemed (nagu teemandis või plastikus) vees tavaliselt ei katke.
Kas kõik metalli ja mittemetalli ühendid on ioonilised?
Enamasti jah, kuid on erandeid. Kui metalli oksüdatsiooniaste on väga kõrge või kui elektronegatiivsuste erinevus ei ole piisavalt suur, võib side omada kovalentseid tunnuseid. Näiteks alumiiniumkloriid (AlCl3) käitub teatud tingimustes pigem kovalentse ühendina.
Miks on ioonilised ained head elektrolüüdid?
Elektrolüüt on aine, mis lahuses või sulas olekus juhib elektrit. Kuna ioonilised ained koosnevad laetud osakestest (ioonidest), mis vees vabanedes saavad vabalt liikuda, kannavad nad elektrilaengut edasi. See on eluliselt tähtis näiteks meie kehas, kus närviimpulsside edastamine sõltub naatriumi ja kaaliumi ioonide liikumisest.
Kuidas nimetatakse ioonilisi ühendeid?
Nimetamine on lihtne: esimesena öeldakse katiooni (metalli) nimi ja teisena aniooni (mittemetalli) nimi, millele lisatakse tavaliselt liide. Näiteks Magneesium + Hapnik = Magneesiumoksiid. Naatrium + Kloor = Naatriumkloriid.
Iooniliste ühendite roll kaasaegses maailmas
Iooniline side ei ole vaid teoreetiline mõiste õpikutes, vaid see mängib kriitilist rolli meie igapäevaelus ja tööstuses. Lisaks juba mainitud söögisoolale põhinevad ioonilistel sidemetel paljud materjalid, ilma milleta me kaasaegset elu ette ei kujutaks.
Esiteks on ioonilised ühendid asendamatud põllumajanduses. Väetised, nagu ammooniumnitraat või kaaliumkloriid, on ioonilised soolad, mis lahustuvad mullavees, võimaldades taimedel omastada eluks vajalikke toitaineid nagu lämmastik ja kaalium. Ilma nende ühenditeta ei suudaks me toota piisavalt toitu maailma rahvastikule.
Teiseks on ioonilised reaktsioonid aluseks akutehnoloogiale. Liitiumioonakud, mis toidavad meie telefone, sülearvuteid ja elektriautosid, põhinevad liitiumiioonide liikumisel anoodi ja katoodi vahel. See on kontrollitud elektrokeemiline protsess, kus iooniline side ja selle muutumine salvestab ning vabastab energiat.
Kolmandaks on meie endi bioloogia täielikult sõltuv ioonidest. Meie luustik koosneb suures osas kaltsiumfosfaadist – tugevast ja vähe lahustuvast ioonilisest ühendist, mis annab kehale toe. Samuti, nagu varem mainitud, toimub igasugune lihaste töö ja mõttetegevus tänu ioonide kiirele liikumisele läbi rakumembraanide. Seega võib öelda, et elu ise on keeruline tants ioonide ja nende moodustatud sidemete ümber.
