Ionrácsos kristályok

Beszéljünk egy kicsit az ionrácsos kristályokról, melyek nyilván ionokból felépülő szilárd anyagok. Tekinthetjük például az 1. oszlop elemeit, főként az olyanokat, mint a lítium, a nátrium vagy a kálium. Sok korábbi videóban beszéltünk már arról, hogy ezek az elemek nagyon gyengén kötik legkülső elektronjukat, mivel a külső héjukon csak egyetlen elektron van. Ennek az elektronnak a leadása könnyen megtörténik, ezzel külső héjuk (pontosabban s- és p-alhéjuk) telített lesz. Szóval ezek könnyen leadnak egy elektront, a 2. csoport elemei pedig két elektront. Ha azonban a periódusos rendszer túloldalát nézzük, mondjuk a halogéneket, nekik egy elektron hiányzik a nemesgázszerkezethez, a telített külső héjhoz (az s- és p-alhéjhoz). Ezek tehát könnyen vesznek fel elektront. Az oxigén és a kén két elektront is fel tud venni. Mit gondolsz, mi történik, ha valamilyen fémhez innen a bal oldalról hozzáadunk egy nemfémet a jobb oldalról? Kitalálhatod, hogy reagálni fognak. Például ha nátriumot és klórt hozunk érintkezésbe, a nátriumatomok átadnak egy elektront a klóratomoknak, így pozitív töltésű nátriumkationokat kapunk. Ha a klóratomok felveszik ezeket az elektronokat, kloridanionná alakulnak. Ha van egy csomó pozitív ionunk, és mellettük egy csomó negatív ionunk, szerinted mi történhet? Vonzani fogják egymást, és létrehoznak egy kristályrácsot. Azért szeretem a nátrium-kloridot hozni példának, mert ezzel nagyon gyakran találkozunk az életben: ez a konyhasó. Ha megnyaljuk, sós ízű. Sok más ionos szilárd anyag létezik, sokukat általánosan sónak tekintik. Lehet a kálium-klorid, a nátrium-fluorid, a magnézium-oxid. Az utóbbinál mi történik? Minden magnéziumatom elveszít két elektront, így +2 töltésű ionná alakul, és minden oxigénatom felvesz két elektront, így -2 töltésű anion lesz. Ezek pedig vonzani fogják egymást, és egy szabályos rácsszerkezetű szilárd anyagot alkotnak. Vizsgáljuk meg ezeknek a rácsoknak a tulajdonságait, elsőként az olvadáspontot! Ezekben a szilárd anyagokban az ionok közötti elektrosztatikus vonzás erős. Ezért jellemző rájuk a magas olvadáspont. Hasonlítsuk össze különböző ionvegyületek olvadáspontját! Mit gondolsz, vajon a nátrium-klorid vagy a magnézium-oxid olvadáspontja lehet a nagyobb? Állítsd meg a videót, és gondolkodj el ezen! Amint tudjuk, az elektrosztatikus vonzás két dologtól függ: a töltések nagyságától és a kristályrács ionjainak sugarától. A töltések nagysága egyértelmű, itt egy +2-es és egy -2-es töltés van, ezért itt nagyobb a vonzóerő, és nagyobb lesz az olvadáspont. A magnézium-oxid olvadáspontja 2825 ⁰C, a konyhasóé pedig 801 ⁰C. Összehasonlíthatjuk a nátrium-kloridot valami olyannal is, mint a nátrium-fluorid. Mit gondolsz, melyiknek lehet nagyobb az olvadáspontja? A nátrium-kloridnak, vagy a nátrium-fluoridnak? A fluoratom kisebb a klóratomnál, és mindkettő egy elektront vesz fel, így a fluoridion is kisebb lesz a kloridionnál. Ha kisebbek a vegyületet alkotó ionok, az elektrosztatikus vonzás erősebb. Láttuk a Coulomb-törvénynél, hogy minél közelebb van egymáshoz a két töltés, annál erősebb a vonzó- vagy taszítóerő. Ha ellentétesek a töltések, akkor vonzóerő lesz. Tehát a nátrium-fluorid olvadáspontja valamivel nagyobb, mint a nátrium-kloridé. A nátrium-fluorid olvadáspontja 996 ⁰C. Ha mindhárom anyagot összehasonlítjuk, a legnagyobb olvadáspontja a magnézium-oxidnak van, ezt követi a nátrium-fluorid, majd a nátrium-klorid. A legfontosabb ebben az esetben tehát a töltés. A következő kérdés az lehet, hogy ezek az anyagok ugyan elég kemények, de mi történik, ha megpróbáljuk őket eltörni? Hajlanak, mint sok fém, amit ismerünk, későbbi videókban lesz erről szó, vagy valami más történik? Hogy érthető legyen, lerajzolom két dimenzióban. Lerajzolom a klórt, pontosabban a kloridionokat. Ez csak egy kétdimenziós változata a kristályrácsnak. Természetesen nem is méretarányos. Most berajzolom a nátriumkationokat. A pozitív és a negatív ionok vonzzák egymást, ezért vannak egymás mellett, míg a negatívak távolabb vannak egymástól, hiszen taszítják egymást. A pozitívakra ugyanez igaz, de mi történne, ha megpróbálnánk itt erősen lefelé nyomni, itt meg felfelé? Mi történne, ha annyira erősen nyomnánk, hogy az ionok a kristályban elmozduljanak? Meghajlik, vagy mást gondolsz, hogy mi történhet, amikor eddig jutunk? Amikor eddig jutunk, nem csak deformálódik a rács, hanem a negatív ionok a negatívak mellé, a pozitívak a pozitívak mellé kerülnek, ezért nem fog meghajlani, nem válik formálhatóvá, mint sok fém, amit láttunk, hanem egyszerűen eltörik. Kemény ugyan, de egyúttal rideg, törékeny. Az utolsó kérdés, amit megvizsgálunk ebben a videóban az, hogy vajon mennyire vezetik jól az ionkristályok az elektromos áramot. Állítsd meg a videót, és gondolkodj el ezen! Ahhoz, hogy valami vezesse az áramot, vagy elektronoknak, vagy általánosan valamiféle töltésnek képesnek kell lenni elmozdulásra. Szilárd formában hiába vannak ionjaink, a rácsban nem tudnak elmozdulni. Ezért az ionvegyületek szilárd formájukban nem vezetik jól az elektromos áramot. Jó vezetővé válhatnak, ha feloldjuk őket. Például ha ezt a sót feloldjuk vízben, az ionok az oldatban el tudnak mozdulni, így az oldat vezetni fogja az áramot. Vagy ha felmelegítjük a nátrium-kloridot 801 fok fölé, és megolvad, akkor is el tudnak mozdulni az ionok, az olvadék is vezeti az áramot.