این یک مقالهٔ خوب است. برای اطلاعات بیشتر اینجا را کلیک کنید.

ترکیب یونی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

ساختار شبکه بلوری ترکیب سدیم کلرید(NaCl) که نمونه ای از یک ترکیب یونی است. در این شکل گوی‌های ارغوانی رنگ نشان دهنده کاتیون‌های سدیم (+Na) و گوی‌های سبز نشان دهنده آنیون‌های کلرید (Cl) است.

ترکیب‌های یونی دسته‌ای از ترکیب‌های شیمیایی هستند که یون‌های مثبت و منفی، ذره‌های سازنده آن‌ها می‌باشند. در این ترکیب‌ها هیچ واحد مولکولی مشخصی وجود ندارد. شکل متداول این ترکیبات از یک فلز به عنوان کاتیون و یک نافلز به عنوان آنیون تشکیل می‌شود. فلزها تمایل به از دست دادن الکترون و تبدیل شدن به یون مثبت و نافلزها تمایل به گرفتن الکترون‌ها و تمایل به تبدیل شدن به یون منفی را دارند. ترکیبات یونی به‌طور طبیعی در سنگ‌های معدنی و به صورت محلول در آب دریاها و اقیانوس‌ها یافت می‌شوند ولی در هواکره وجود ندارند. نخستین توضیحات علمی در مورد این ترکیب‌ها به دانشمند انگلیسی مایکل فارادی بر می‌گردد که نام «یون» به معنی «رونده» یا «متحرک» را بر روی اجزای سازنده این ترکیبات قرار داد. نخستین توصیف علمی از ساختار بلوری این ترکیبات توسط ویلیام هنری و ویلیام لورنس براگ در سال ۱۹۱۳ انجام گرفت.

ترکیبات یونی به‌وسیله پیوند بسیار قوی یونی تشکیل می‌شوند؛ در نتیجه، از دمای ذوب و جوش بالایی برخوردارند و عمدتاً در دمای اتاق به صورت جامد هستند. در حالت جامد می‌توانند شکل بلورین منظم داشته باشند که از قواعد موجود برای توصیف ساختارهای بلوری در علم بلورشناسی پیروی می‌کنند. در حالت محلول در حلال‌های قطبی، به یون‌های مثبت و منفی تفکیک و توسط مولکول حلال، حلال‌پوشیده می‌شوند. این مواد به دلیل این که از یک شبکه بلورین یکپارچه تشکیل شده‌اند، فاقد مولکول‌اند؛ در نتیجه ساده‌ترین نسبت کاتیون‌ها به آنیون‌ها که به آن سلول واحد گفته می‌شوند، به عنوان فرمول شیمیایی آن‌ها کاربرد دارد. سختی، شکنندگی، نارسانایی الکتریکی در حالت جامد، رسانایی الکتریکی در حال مذاب و محلول و تنوع رنگی بالا از دیگر ویژگی‌های این ترکیبات است.

این ترکیبات از دیرباز برای بشر شناخته شده بودند؛ از جمله نمک طعام که به عنوان طعم‌دهنده در غذاها کاربرد دارد. اسامی متعددی بر روی برخی از آن‌ها گذاشته شده‌است اما روش نظام‌مند و یکپارچه در نام گذاری این مواد توسط اتحادیهٔ بین‌المللی شیمی محض و کاربردی (آیوپاک) تعیین شده‌است و امروزه از این روش برای نامگذاری این ترکیبات استفاده می‌شود. ترکیبات یونی در بدن موجودات زنده از جمله انسان به فراوانی یافت می‌شوند و نقشی حیاتی در فرآیندهای زیستی ایفا می‌کنند؛ همچون یون‌های آهن که در ساختار گلبول‌های قرمز خونی وجود دارند یا یون‌های پتاسیم که در عملکرد عضلات نقشی کلیدی ایفا می‌کنند.

ترکیبیات یونی کاربردهای فراوانی در صنایع دارند؛ همچون مواد رنگزا، مواد اولیه برای تولید محصولات دیگر، فرآوری بسیاری از فلزات، تولید باتری و پیل‌های الکتروشیمیایی و …. در صنایع غذایی به عنوان نگه‌دارنده، طعم‌دهنده و عامل ورآورنده استفاده می‌شوند و در صنایع دارویی به عنوان تأمین‌کننده برخی ریزمغذی‌ها کاربرد دارند. همچنین برخی داروها با روش‌های ویژه به صورت ترکیبات یونی درآورده می‌شوند تا میزان فراهمی زیستی و اثرگذاری آن‌ها افزایش یابد.

اکتشاف[ویرایش]

طیف‌سنج پرتو ایکس طراحی و ساخته شده توسط ویلیام هنری براگ که به‌وسیله آن ساختارهای بلوری شناسایی شد و مقدمات علم بلورشناسی پایه‌ریزی شد[۱]

ترکیبات یونی از دیرباز در زندگی بشر نقش داشته و برای انسان کاربردی بوده‌اند اما نخستین توضیحات علمی در مورد این ترکیب‌ها به دانشمند انگلیسی مایکل فارادی برمی‌گردد. او متوجه شده بود که این ترکیبات در آب حل می‌شوند و به‌وسیله جریان الکتریکی می‌توان آن‌ها را به اجزای سازنده آن تفکیک کرد. در سال ۱۸۳۴ وی این اجزا را «یون»[الف] نامید که در زبان یونانی به معنی «رونده» یا «متحرک» بود.[۲][۳] این موضوع موجب شد که وی نخستین قوانین الکترولیز در شیمی را تدوین کند. همچنین، سوانت آرنیوس دانشمند سوئدی در سال ۱۸۸۴ متوجه شد که نمک طعام یا همان سدیم کلرید در آب به اجزای سازنده آن یعنی یون‌های مثبت و منفی تفکیک می‌شود.[۴]

نخستین شواهد از کشف ساختار بلوری ترکیبات یونی به سال ۱۹۱۳ بر می‌گردد؛ زمانی که ویلیام هنری و ویلیام لورنس براگ توانستند با اسپکتروسکوپ پرتوی ایکس خود، ساختار بلوری سدیم کلرید جامد را توصیف کنند.[۵][۶] این مطالعات نشان داد که ساختار این ترکیبات شکل مولکولی نداشته و در عوض، یک ساختار بلوری منظم در کل ماده تکرار شده‌است. همچنین مفهوم عدد هم‌آرایی نیز در طی این تحقیقات مطرح شد که نشان می‌داد در بلور جامدِ سدیم کلرید، هر یون سدیم توسط ۶ یون کلرید احاطه شده‌است.[۷]

بعدها و در خلال دهه ۱۹۲۰ میلادی مطالعات بیشتر نشان داد که بسیاری از ترکیب‌های معدنی دیگر نیز دارای چنین ساختارهای بلوری و منظمی هستند. همچنین، مشخص شد که ذراتی که کنار هم قرار گرفته و ساختار بلور را تشکیل می‌دهند، اتم خنثی نبوده و یون‌های با بار ناهمنام هستند، به عبارتی یک نیروی الکترواستاتیکی قوی موجب کنار هم قرار گرفتن ذرات شده‌است. این فرضیه توسط بازتابندگی پرتو ایکس که چگالی الکترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، اثبات شد.[۸]

[۹]

مطالعه دیگری که به شناخت دقیق‌تر این ترکیب‌ها انجامید، توسط دو دانشمند آلمانی به نام‌های فریتس هابر و ماکس برن در سال ۱۹۱۹ انجام گرفت. نظریه آن‌ها که به چرخه بورن–هابر مشهور بود، در واقع روشی بود که طی آن می‌توان انرژی شبکه یک شبکه بلوری یونی را با استفاده از یک روش محاسباتی به دست آورد. این روش بر پایه قانون هس بنا شده‌است.[۱۰][۱۱]

منشأ طبیعی[ویرایش]

ترکیبات یونی بخش مهمی از اجزای سازنده کره زمین هستند. سنگ‌های معدنی یکی از منابع غنی ترکیبات معدنی از جمله ترکیبات یونی هستند. تاکنون بیش از ۲۸۰۰ گونه سنگ معدنی شناسایی شده‌است که بخشی از آن‌ها در تولید مواد شیمیایی و همچنین فلزات کاربرد دارند. بسیاری از ترکیبات یونی مانند سنگ آهک توسط جریان‌های سطحی آب روی زمین شسته شده و به مناطق مختلف منتقل می‌شوند؛ در نتیجه، آب دریاها نیز یکی دیگر از منابع طبیعی حاوی ترکیبات یونی متنوع است.[۱۲][۱۳][۱۴] ترکیبات یونی به دلیل دمای ذوب و جوش بالا در طبیعت به صورت جامد بوده و به هیچ وجه به حالت گازی در هواکره وجود ندارند. اجزای عمده هواکره شامل گازهای ساده مانند گاز نیتروژن، اکسیژن و کربن دی‌اکسید هستند که همگی دارای ساختار مولکولی با پیوندهای کووالانسی هستند.[۱۵]

پیوند یونی[ویرایش]

طرحواره‌ای از اتم‌های سدیم و فلوئور که تحت یک واکنش اکسایش-کاهش برای تشکیل سدیم فلوئورید قرار می‌گیرند. سدیم برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار، الکترون لایه ظرفیت خود را از دست می‌دهد و این الکترون به صورت یک فرایند گرمازا (اگزوترمیک) به لایه ظرفیت اتم فلوئور وارد می‌شود. یون‌های با بار متضاد که معمولاً شمار آن‌ها بسیار است، پس از آن با جذب یکدیگر به شکل جامد در می‌آیند.[۱۶]

پیوند یونی یک پیوند شیمیایی است که به واسطه نیروی الکترواستاتیک بین یون‌های مثبت (کاتیون) و یون‌های منفی (آنیون) به وجود می‌آید. در طی تشکیل یک پیوند یونی، الکترون‌های لایه ظرفیت از یک اتم خارج و به لایه ظرفیت اتم دیگر وارد می‌شوند. اتمی که الکترون از دست می‌دهد، دارای بار مثبت شده و کاتیون نام دارد و اتمی که الکترون دریافت می‌کند، دارای بار منفی شده و آنیون نام دارد. در یک جامد یونی، تعداد بسیار زیادی از این یون‌ها در کنار هم با ساختاری منظم و بلورین در کنار هم قرار گرفته و تشکیل یک ترکیب یونی را می‌دهند.[۱۷] برای درک بهتر این فرایند به توصیف فرایند تشکیل سدیم کلرید از اتم‌های سدیم و کلر می‌پردازیم:

سدیم کلرید جامدی سفید رنگ با دمای ذوب ۸۰۱ درجه سانتی‌گراد و دمای جوش ۱۴۳۹ درجه سانتی‌گراد است. این ماده علاوه بر مصارف صنعتی، به عنوان ماده خوراکی و طعم‌دهنده از گذشته‌های دور کاربرد داشته و یکی از مثال‌های ساده برای ترکیبات یونی است.[۱۸] ساختار الکترونی اتم سدیم و اتم کلر به صورت زیر است:

Na:[Ne]3s1

Cl:[Ne]3s23p5

همانگونه که مشخص است، در لایه ظرفیت اتم سدیم یک اوربیتال s با یک الکترون وجود دارد و با از دست دادن آن طبق قاعده هشت‌تایی به ساختار گاز نجیب پیش از خود یعنی نئون می‌رسد. اتم کلر نیز با گرفتن یک الکترون، اوربیتال p خود را کامل کرده و به ساختار پایدار گاز نجیب بعد خود یعنی آرگون می‌رسد:[۱۹]

Na+:[Ne]

Cl:[Ne]3s23p6=[Ar]

حال دو اتم با تبادل الکترون به حال پایدار رسیدند و هر یک دارای بار مخالف شده‌اند و به واسطه نیروی الکترواستاتیک به یکدیگر متصل و تشکیل پیوند یونی را می‌دهند.[۲۰]

از لحاظ ترمودینامیکی نیز دو اتم به تنهایی دارای انرژی بالایی می‌باشند و بسیار ناپایدار هستند. تشکیل پیوند یونی موجب آزاد شدن انرژی و پایداری اتم‌ها می‌شود؛ در نتیجه، ترکیب‌های یونی از اتم‌های سازنده آن‌ها پایدارتر هستند و عمدتاً در طبیعت به شکل ترکیب یافت می‌شوند.[۲۱][۲۲]

در واقعیت یک پیوند شیمیایی نه به صورت مطلق یونی و نه به صورت مطلق کووالانسی است. پیوندها درصدی از خصلت هر دو را با خود به همراه دارند اما برای پیوندهای یونی این خصلت بیشتر به سمت یونی متمایل است. تشخیص این موضوع با استفاده از قواعد فاجانس امکان‌پذیر است که نخستین بار در سال ۱۹۲۳ توسط شیمیدان لهستانی-آمریکایی کازیمیرز فاجانس مطرح شد.[۲۳] همچنین، به شکلی دقیق‌تر می‌توان رفتار یونی یا کووالانسی پیوندها را با استفاده از نظریه اچ‌اس‌ای‌بی که نخستین بار در دهه ۱۹۶۰ توسط شیمیدان آمریکایی رالف پیرسون مطرح شد، توصیف کرد. این نظریه بیان می‌کند که از واکنش اسید و باز سخت،[ب] یک پیوند یونی و از واکنش اسید و باز نرم،[پ] یک پیوند کووالانسی تشکیل می‌شود.[۲۴]

ساختار[ویرایش]

ساختار سلول واحد ورتزیت که در آن گلوله‌های خاکستری نشان‌دهنده اتم فلز و گلوله‌های زرد نشان‌دهنده اتم‌های گوگرد یا سلنیم است

ترکیبات یونی در حالت جامد از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند که با ساختار هندسی منظم در کنار هم قرار گرفته‌اند. مطالعه دقیق این ساختارها در حوضه مطالعات علم بلورشناسی قرار دارد. بسیاری از خواص ترکیبات یونی با این ساختار توجیه‌پذیرند. به عنوان مثال، سختی و براقیت این ترکیبات ناشی از چینش منظم یون‌ها در یک شبکه سه‌بعدی است؛ در عین حال، عدم رسانایی الکتریکی این مواد در حالت جامد ناشی از محدود بودن یون‌ها در ساختار بلوری و عدم توانایی آن‌ها در حرکت است. همچنین، شکنندگی این مواد بر اساس این ساختار ناشی از کنار هم قرار گرفتن لحظه‌ای یون‌های هم‌بار در یک لحظه و در اثر نیروی خارجی است.[۲۵]

چیدمان یون‌ها در این ساختار همواره به گونه‌ای است که کمترین انرژی شبکه (بیشترین جاذبه و کمترین دافعه) ممکن برای آن ساختار به وجود بیاید. انرژی شبکه یک ترکیب یونی عبارت است از انرژی آزادشده هنگام تشکیل یک مول جامد بلورین از یون‌های گازی آن که می‌تواند معیار مناسبی برای اندازه‌گیری قدرت پیوند در ترکیب‌های یونی باشد.[۲۶] انرژی شبکه در واقع جمع اثر متقابل نیروهای دافعه و جاذبه در یک ساختار بلوری است. برای یون‌های کروی قطبش‌ناپذیر، تنها بار و فواصل برای محاسبه انرژی جاذبه الکترواستاتیک کافی است. برای هر ساختار بلورین ایده‌آل، تمام فاصله‌ها از نظر هندسی با کمترین فاصله بین هسته‌ای مرتبطند؛ بنابراین، برای هر ساختار بلوری ممکن، انرژی الکترواستاتیک کل با انرژی الکترواستاتیک بارهای واحد در نزدیکترین فاصله همسایگی متناسب است. مقدار این انرژی همواره ضریبی از عددی ثابت به نام ثابت مادلونگ است.[۲۷] که به شکل مؤثری می‌توان با جمع اوالد آن را محاسبه کرد.[۲۸] هنگامی که شکلی معقول برای انرژی دافعه اضافی مفروض باشد، انرژی شبکه کل را می‌توان با استفاده از معادله برن–لانده،[۲۹] معادله برن–مایر و در صورت نبودن اطلاعاتی از ساختار شبکه، می‌توان با استفاده از معادله کاپوستینسکی، مدل‌سازی کرد.[۳۰]

انرژی شبکه یک ترکیب یونی با تغییر میزان بار و شعاع یون‌ها متغیر است؛ یون‌ها هرقدر بار بیشتر و شعاع کمتری داشته باشند، انرژی شبکه بیشتر خواهد بود. به این ترتیب، می‌توان با استفاده از این اصل، بدون اطلاع از مقدار دقیق انرژی شبکه دو ترکیب، مقدار انرژی شبکه و به تبع آن، دمای ذوب دو ترکیب را با هم مقایسه کرد.[۳۱]

ساختارهای یونی بلورین مولکول مشخص ندارند و از یک شبکه بزرگِ به هم پیوسته از یون‌ها تشکیل شده‌اند؛ در نتیجه، فرمول شیمیایی آن‌ها را با استفاده از ساده‌ترین نسبت کاتیون‌ها به آنیون‌ها که در کل ساختار بلوری تکرار می‌شود، نشان می‌دهند. این نسبت ساده را سلول واحد می‌نامند.[۳۲] بر این اساس، ۷ دستگاه بلوری اصلی و ۱۴ شبکه براوه وجود دارد.

هفت دستگاه بلوری اصلی[۳۳]
سه‌شیب (تری‌کلینیک) تک‌شیب (مونوکلینیک) راست‌لوزی (اورتورومبیک) چهارگوشه (تتراگونال) شش‌گوشه (هگزاگونال) سه گوشه (تریگونال) مکعبی (کوبیک)
Triclinic.svg Monoclinic.svg Orthorhombic.svg Tetragonal.svg Hexagonal lattice.svg Rhombohedral.svg Lattic simple cubic.svg

عیوب ساختاری[ویرایش]

نقص شاتکی یکی از عیوب نقطه‌ای است و زمانی به وجود می‌آید که به تعداد استوکیومتری، کاتیون و آنیون از ساختار بلور خارج شود.

ساختارهای ذکر شده شکل ایده‌آلی از قرارگیری هندسی یون‌ها در شبکه بلوری است. در واقعیت ممکن است انحراف‌هایی نسبت به این ساختارها در ترکیب به وجود بیاید که به ناکاملی یا عیوب بلور معروف است. عیوب بلوری بر اساس شکل قرارگیری عیوب (روی نقطه، خط، صفحه یا حجم) به چهار دسته تقسیم می‌شوند:[۳۴]

  • عیوب نقطه‌ای یا بدون بعد: تنها باعث اخلال در نظم بلوری در یک یا دو موقعیت اتمی می‌شوند.
  • عیوب خطی یا تک بعدی: باعث اخلال در نظم بلوری در یک مسیر خطی(یک ضلع شبکه) می‌شوند.
  • عیوب سطحی یا دو بعدی: باعث اخلال در نظم بلوری در یک رویه یا صفحه می‌شوند.
  • عیوب حجمی یا سه بعدی: باعث اخلال در نظم بلوری در یک حجم می‌شوند.

نامگذاری[ویرایش]

روش سنتی[ویرایش]

در گذشته روش نظام‌مندی در نام‌گذاری این ترکیبات وجود نداشت و صرفاً بر اساس رنگ، ظاهر، محل کشف یا استخراج، کاربردها و دیگر باورهای سنتی نامگذاری می‌شدند.

  • نمک‌ها

نمک‌ها به دسته‌ای از ترکیبات یونی اطلاق می‌شود که از واکنش خنثی سازی یک باز و یک اسید به وجود می‌آیند. نمک خوراکی یا نمک طعام که همان سدیم کلرید است، نمونه‌ای از دسته نمک‌ها است که از واکنش هیدروکلریک اسید و سدیم هیدروکسید به وجود می‌آید. همچنین، در این دسته‌بندی زیرمجموعه دیگری نیز وجود دارد؛ بر این اساس، ممکن است نمک بازی، اسیدی یا خنثی باشد. نمک‌هایی مانند Na۳HPO۴ و NaHCO۳ که با انحلال در آب خاصیت اسیدی ایجاد می‌کنند، نمک اسیدی، نمک‌هایی مانند Pb(OH)Cl و Sn(OH)Cl که با حل شدن در آب یون هیدروکسید (OH) ایجاد می‌کنند، نمک بازی و نمک‌هایی مانند Na۲SO۴ و Na۳PO۴ که در آب خنثی هستند، نمک خنثی نامیده می‌شوند.[۳۵][۳۶]

آب + نمک → باز + اسید
HCl + NaOH → NaCl +H۲O
  • زاج‌ها
بلورهای زاج پتاسیم

زاج‌ها[ت] دسته‌ای از ترکیبات یونی با فرمول کلی XAl(SO
۴
)
۲
·۱۲H
۲
O
هستند که در واقع نمک آب‌پوشیده و مضاعفی از آلومینیم سولفات و سولفات یک کاتیون تک ظرفیتی مانند پتاسیم است. در این فرمول کلی X می‌تواند یک کاتیون تک ظرفیتی مانند پتاسیم یا سدیم باشد. در نامگذاری این ترکیبات به شیوه قدیمی از ترکیب نام کاتیون تک ظرفیتی و عبارت «زاج» استفاده می‌شود. برخی از زاج‌های مهم عبارتند از زاج سدیم (NaAl(SO۴)۲·۱۲H۲O)، زاج پتاسیم (KAl(SO۴)۲·۱۲H۲O) و زاج آمونیوم (NH
۴
Al(SO
۴
)
۲
·۱۲H
۲
O
).[۳۷][۳۸]

زاج‌ها در صنایع دباغی، نساجی و کاغذسازی و همچنین برای تهیه بیکینگ پودر کاربرد دارند. این ترکیبات به عنوان عامل لخته‌ساز در صنایع تصفیه آب نیز کاربرد دارند.[۳۹]

  • دیگر نام‌ها

از آنجا که در گذشته روش نظام‌مندی برای شناخت و نامگذاری ترکیبات شیمیایی وجود نداشته، برخی از آن‌ها اسم‌های مختلفی داشته‌اند. گاه از روی رنگ و ظاهر ماده نامی انتخاب می‌شد؛ مانند «کات کبود» که همان مس(II) سولفات آب‌پوشیده‌است و به خاطر ظاهر کبود رنگ آن به این نام شناخته می‌شد.[۴۰]

برخی ترکیبات به نام مکان خاصی نامگذاری شده‌اند؛ مانند «آبی پروسی» [ث] که در فارسی به «نیل فرنگی» هم شناخته می‌شود. این ترکیب که امروزه با نام فریک فروسیانید و برخی دیگر از اسامی شناخته می‌شود، یک رنگدانه آبی پررنگ است. تاریخچه نامگذاری آن به قرن ۱۸ میلادی بر می‌گردد؛ زمانی که ارتش پادشاهی پروس از این رنگدانه در البسه سربازان استفاده می‌کرد. این ترکیب همچنین با نام‌های «آبی برلین» [ج] و «آبی پاریسی» [چ] نیز شناخته می‌شود.[۴۱][۴۲]

روش مدرن[ویرایش]

در روش امروزی که توسط آیوپاک تصویب شده‌است، به‌طور کلی نام ترکیب یونی از ترکیب نام کاتیون و آنیون تشکیل دهنده ترکیب، ساخته می‌شود. برای ترکیبات ساده دوتایی[ح] (ترکیباتی که در آن کاتیون و آنیون تنها از یک نوع اتم ساخته شده‌اند، مانند NaCl، CaBr۲ ،LiI ،AlN و …) ابتدا نام کاتیون که یک فلز است، بدون تغییر می‌آید؛ سپس نام آنیون با افزودن -ید یا -اید (در انگلیسی به صورت ide-) به انتهای نام نافلز تشکیل‌دهنده آنیون می‌آید.[۴۳][۴۴][۴۵]

کلسیم برمید → برم + کلسیم
Ca + Br۲ → CaBr۲

برای درک روش اندیس‌گذاری در این ترکیبات باید به این قاعده توجه داشت که باید قدر مطلق بار کاتیون به عنوان اندیس آنیون و قدر مطلق بار آنیون به عنوان اندیس کاتیون در نظر گرفته شود.[۴۶] برای نمونه در مثال قبل:

Ca۲+ + Br۱- → Ca۱ + Br۲ → CaBr۲

در برخی فلزات واسطه ممکن است اتم قادر به تولید بیش از یک کاتیون با بارهای متفاوت باشد؛ مثلاً اتم آهن توانایی تولید یون‌های Fe2+
و Fe3+
را دارد. در این حالت در نامگذاری نام کاتیون برای جلوگیری از اشتباه شدن بین دو کاتیون، تعداد بار را باید با اعداد رومی در داخل پرانتز ذکر کرد. در مثال بالا نام کاتیون‌ها به این صورت خواهد بود: آهن(II) و آهن(III).[۴۷] علاوه بر این روش که روش امروزی نامگذاری کاتیون‌های چند ظرفیتی است، روش نامگذاری سنتی‌ای نیز برای آن وجود دارد؛ به این ترتیب که کاتیون با بار کمتر با پسوند -وس (در انگلیسی به صورت ous-) و کاتیون با بار بیشتر با پسوند -یک (در انگلیسی به صورت ic-) نامگذاری می‌شوند.[خ] به عنوان مثال، ترکیب‌های FeCl۲ و FeCl۳ در روش جدید با نام‌های آهن(II) کلرید و آهن(III) کلرید و در روش قدیمی با نام‌های فروس کلرید و فریک کلرید نامگذاری می‌شوند.[۴۸]

برخی از کاتیون‌ها و آنیون‌های تک‌اتمی پرکاربرد به همراه بار و نام آن‌ها در جدول زیر آمده‌اند:[۴۹]

کاتیون بار نام آنیون بار نام کاتیون چند ظرفیتی بار نام نام قدیمی معادل فارسی
H+ ۱+ هیدروژن H- ۱- هیدرید Fe۲+ ۲+ (II)آهن ferrous فروس
Li+ ۱+ لیتیم F- ۱- فلورید Fe۳+ ۳+ (III)آهن ferric فریک
Na+ ۱+ سدیم Cl- ۱- کلرید Cr۲+ ۲+ (II)کروم chromous کروموس
K+ ۱+ پتاسیم Br- ۱- برمید Cr۳+ ۳+ (III)کروم chromic کرومیک
Cs+ ۱+ سزیم I- ۱- یدید Cu+ ۱+ (I)مس cuprous کوپروس
Ag+ ۱+ نقره O۲- ۲- اکسید Cu۲+ ۲+ (II)مس cupric کوپریک
Mg۲+ ۲+ منیزیم S۲- ۲- سولفید Sn۲+ ۲+ (II)قلع stannous استانوس
Ca۲+ ۲+ کلسیم Se۲- ۲- سلنید Sn۴+ ۴+ (IV)قلع stannic استانیک
Sr۲+ ۲+ استرانسیم N۳- ۳- نیترید Co۲+ ۲+ (II)کبالت - -
Ba۲+ ۲+ باریم P۳- ۳- فسفید Co۳+ ۳+ (III)کبالت - -
Zn۲+ ۲+ روی - - - Pb۲+ ۲+ (II)سرب - -
Al۳+ ۳+ آلومینیوم - - - Pb۴+ ۴+ (IV)سرب - -


گونه دیگری از کاتیون‌ها و آنیون‌ها وجود دارند که خود از چند اتم تشکیل شده‌اند و به آن‌ها به اصطلاح یون چنداتمی[د] گفته می‌شود. به عنوان مثال، یون سولفات یک آنیون چند اتمی است که در آن یک اتم گوگرد با ۴ اتم اکسیژن به‌وسیله پیوند کووالانسی و به شکل هرم چهاروجهی با یکدیگر پیوند دارند. کل این ساختار دارای بار -۲ است. به شکل مشابه کاتیون‌های چند اتمی با بار مثبت نیز وجود دارند. مثلاً آمونیوم یک کاتیون است که در آن یک اتم نیتروژن با چهار اتم هیدروژن به‌وسیله پیوند کووالانسی و به شکل هرم چهاروجهی در کنار هم قرار گرفته‌اند.[۵۰]

اکسی‌آنیون‌ها دسته مهمی از آنیون‌های چند اتمی هستند که شامل اتم اکسیژن و یک اتم دیگر است.[۵۱] این آنیون‌ها در اصل از جداشدن اتم هیدروژن از یک اسید به وجود می‌آیند. به عنوان مثال، ClO آنیون حاصل از جدا شدن هیدروژن از HClO است. برای نامگذاری این آنیون‌ها به روش زیر عمل می‌شود:[۵۲]

اسیدهایی مانند کلرو اسید (HClO۲) که به «و» ختم می‌شوند، به کلریت (ClO۲) و اسیدهایی مانند کلریک اسید (HClO۳) که به «یک» ختم می‌شوند، به کلرات (ClO۳) تبدیل می‌شوند.[ذ][۵۳]

در جدول زیر فهرستی از آنیون‌ها و کاتیون‌های چند اتمی پرکاربرد و ریز مشخصات آن‌ها ذکر شده‌است:[۵۴][۵۵][۵۶][۵۷][۵۸][۵۹]

یون‌های کمپلکسی[ویرایش]

پتاسیم تتراکلروپلاتینات(II) یک ترکیب یونی به شکل جامد نارنجی‌رنگ است که از دو کاتیون پتاسیم و یک آنیون کمپلکسی تشکیل شده‌است.[۶۰]

علاوه بر کاتیون یا آنیون‌هایی که در آن‌ها اتم‌ها با پیوند کووالانسی به هم متصل هستند، ممکن است یون چند اتمی از یک کمپلکس شیمیایی ساخته شده باشد. به عنوان مثال، تتراکلروپلاتینات، یک آنیون با بار کلی -۲ است که در آن یک اتم پلاتین با چهار اتم کلر تشکیل یک کمپلکس را داده‌اند که دارای بار خالص -۲ است.[۶۱]

قاعده کلی نامگذاری، یعنی ابتدا نام کاتیون و سپس نام آنیون، در این حالت نیز برقرار است. اما چون کاتیون یا آنیون یا هر دو یک ساختار کمپلکسی دارند، پس باید ابتدا کمپلکس کاتیون را نامگذاری کرده و در ادامه نام کمپلکس آنیونی عنوان شود. در نامگذاری کمپلکس کاتیون ابتدا نام و تعداد لیگاندها بر اساس ترتیب حروف الفبای انگلیسی آورده می‌شود و سپس نام فلز مرکزی کمپلکس به همراه ظرفیت آن با اعداد رومی در داخل پرانتز ذکر می‌شود. در نامگذاری کمپلکس آنیون نیز به همین شیوه عمل می‌شود با این تفاوت که پسوند «ات» به انتهای نام لاتین فلز مرکزی کمپلکس افزوده می‌شود.[۶۲]

واکنش‌ها[ویرایش]

واکنش‌های جابجایی[ویرایش]

تشکیل رسوب زرد رنگ سرب (II) یدید در اثر واکنش محلول پتاسیم یدید و سرب(II) نیترات در یک لوله آزمایش

واکنش‌های جابجایی دسته‌ای واکنش‌ها هستند که در آن‌ها یک اتم یا یک یون از یک ترکیب با یک اتم یا یک یون از ترکیبی دیگر جابجا می‌شود.[۶۳] این واکنش به دو صورت امکان‌پذیر است:

  • در حالت اول یک اتم یا یون جابجا می‌شود؛ مانند فرمول کلی زیر:
A + B-C → A-C + B

به این واکنش‌ها واکنش جابجایی یگانه[ش] گفته می‌شود؛ مانند واکنش نقره نیترات محلول با فلز روی که منجر به آزاد شدن فلز نقره و تولید روی نیترات می‌شود. اهمیت این واکنش از آن جهت است که می‌توان به‌وسیله آن یک عنصر را به‌وسیله عنصری دیگر از یک ترکیب خارج و تخلیص کرد.[۶۴]

۲AgNO۳(aq) + Zn(s) → Zn(NO۳)۲(aq) + ۲Ag(s)
  • در حالت دوم دو عمل جابجایی اتم یا یون صورت می‌گیرد؛ مانند فرمول کلی زیر:
A-B + C-D → A-D + C-B

به این واکنش‌ها، واکنش جابجایی دوگانه یا مضاعف[ص] گفته می‌شود؛ مانند واکنش نقره نیترات و ترکیبات یونی هالیددار مانند سدیم کلرید. این واکنش‌ها منجر به تشکیل رسوبی قابل جداسازی می‌شوند؛ به همین دلیل، به آن‌ها واکنش‌های رسوبی[ض] نیز گفته می‌شود. اهمیت این واکنش‌ها در شیمی تجزیه از آن جهت است که می‌توان از طریق تشکیل انواع مختلفی از رسوبات، به نوع عناصر موجود در ترکیب پی برد. در مثال گفته‌شده وجود یون کلرید در ترکیب یونی به‌وسیله نقره نیترات و با تشکیل رسوب نقره کلرید ردیابی می‌شود.[۶۵]

AgNO۳(aq) + NaCl(aq) → AgCl(s) + NaNO۳(aq)

واکنش‌های الکتروشیمیایی[ویرایش]

همان‌طور که از نام ترکیبات یونی پیداست، این مواد از یون‌های با بار مثبت و منفی تشکیل شده‌اند. در حالت جامد یون‌ها در یک ساختار بلورین قرار داشته و توانایی حرکت ندارند اما در صورتی که این ترکیبات به شکل مذاب درآمده یا در آب به صورت محلول در بیایند، امکان تحرک و جابجایی یون‌ها فراهم می‌شود و در نتیجه انجام واکنش‌های الکتروشیمیایی با اعمال جریان الکتریکی امکان‌پذیر می‌شود. جابجایی یون بین الکترودهای آند و کاتد در پیل‌های الکتروشیمیایی اساس عملکرد باطری‌های شیمیایی متداول است. همچنین، با اعمال جریان خارجی بر یک محلول یا مذاب حاوی ترکیب یونی امکان تولید مواد شیمیایی جدید فراهم می‌شود که این موضوع در صنایع شیمیایی از اهمیت بالایی برخوردار است. این عمل اصطلاحاً برق‌کافت نامیده می‌شود.[۶۶]

Copper electroplating principle (multilingual).svg DownsCellSchematicColor.png Galvanic Cell.svg Hall-heroult-kk-2008-12-31.png
آبکاری الکترولیتی روشیست که در آن با کاهش کاتیون‌های فلزی موجود در محلول، لایه‌ای از آن به عنوان پوشش بر روی سطح فلز دیگر (Me) نشانده می‌شود. سلول دانز که برای تولید فلز سدیم با استفاده از مذاب سدیم کلرید استفاده می‌شود. این روش نخستین بار توسط شیمیدان آمریکایی جیمز کلوید داونز[ط] ابداع شد.[۶۷] طرحی ساده از یک پیل الکتروشیمیایی حاوی محلول مس(II) سولفات و روی سولفات که جهت تولید جریان الکتریکی استفاده می‌شود. فرایند هال–هرولت فرایندی صنعتی جهت تولید انبوه فلز آلومینیم به روش برق‌کافت است. این روش نخستین بار توسط دو دانشمند به نام‌های چارلز مارتین هال و پائول هرولت در سال ۱۸۸۶ میلادی ابداع گردید.[۶۸]

تجزیه[ویرایش]

واکنش تجزیه آمونیوم دی‌کرومات که به واسطه ظاهر آن به واکنش «کوه آتش‌فشان» مشهور است، نمونه‌ای از واکنش تجزیه یک ترکیب یونی است.[۶۹]

ترکیبات یونی به دلیل داشتن پیوند قوی در دماهای بالا و در شرایط سختی تجزیه می‌شوند. تجزیه حرارتی این ترکیبات از مهمترین واکنش‌های این دسته ترکیبات هستند. در طی این فرایند ترکیب یونی به دو یا چند جز ساده‌تر تجزیه می‌شود. مثلاً جیوه (II) اکسید که رنگی نارنجی دارد در اثر حرارت به اجزای سازنده آن یعنی فلز جیوه و گاز اکسیژن تجزیه می‌شود.[۷۰] برخی از واکنش‌های تجزیه از الگوهای خاصی پیروی می‌کنند؛ مثلاً کربنات‌هایی مانند کلسیم کربنات، منیزیم کربنات و باریم کربنات در اثر حرارت بالا به کلسیم اکسید، منیزیم اکسید و باریم اکسید تجزیه می‌شوند و گاز کربن دی‌اکسید آزاد می‌کنند.[۷۱]

CaCO۳(s) → CaO(s) + CO۲(g)

آزیدها در اثر تجزیه حرارتی از خود گاز نیتروژن آزاد می‌کنند که همین ویژگی در ساخت کیسه‌های هوای خودرو کاربرد دارد. به عنوان مثال، سدیم آزید یا باریم آزید در اثر تجزیه حرارتی به ترتیب فلز سدیم و باریم تولید و گاز نیتروژن آزاد می‌کنند.[۷۲]

NaN۳(s) → Na(s) + N۲(g)

کلرات‌ها می‌توانند با تجزیه شدن، گاز اکسیژن آزاد کنند. اهمیت این واکنش از آن جهت است که می‌تواند منبع مناسب و در دسترسی برای تأمین گاز اکسیژن خالص از یک ماده جامد در محیط آزمایشگاهی باشد. به عنوان مثال، پتاسیم کلرات در اثر حرارت و در حضور کاتالیزور منگنز دی‌اکسید، به پتاسیم کلرید تبدیل شده و گاز اکسیژن آزاد می‌سازد.[۷۳]

KClO۳(s) → KCl(s) + O۲(g)

عمده واکنش‌های تجزیه از نظر ترمودینامیکی گرماگیرند اما معدود واکنش‌هایی مانند تجزیه آمونیوم دی‌کرومات در ابتدا برای شروع واکنش نیاز به انرژی فعال‌سازی اولیه دارند، اما در ادامه واکنش خودبه‌خود انجام می‌شود که با آزادسازی گرما نیز همراه است.[۷۴]

(g)NH۴)۲Cr۲O۷(s) → Cr۲O۳(s) + N۲(g) + 4H۲O)

ترکیب‌های یونی آب‌پوشیده[ویرایش]

برخی ترکیبات یونی در هنگام رسوب دادن در محلول‌های آبی، تعدادی مولکول آب در داخل ساختار بلوری خود نگه می‌دارند. به این دسته ترکیبات یونی، «آب‌پوشیده» گفته می‌شود. در این حالت، اتم‌های اکسیژن آب با کاتیون‌های بلور و اتم‌های هیدروژن آب با آنیون‌های بلور برهمکنش کوئوردیناسیونی برقرار می‌کنند. معمولاً تعداد مولکول‌های آب به ازای هر واحد بلور نمایش داده می‌شود؛ به عنوان نمونه، در هر واحد بلوری مس(II) سولفات آب‌پوشیده به‌طور معمول ۵ مولکول آب وجود دارد؛ در نتیجه به شکل (CuSO۴·۵H۲O) نمایش داده می‌شود. مولکول‌های آب موجود در نمک‌های آب‌پوشیده با حرارت دیدن در بازه دمایی ۱۰۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد از ساختار بلور خارج می‌شوند. این فرایند در برخی ترکیبات با تغییر رنگ و ظاهر بلور نیز همراه است؛ به عنوان مثال، ترکیب مس(II) سولفات در حالت آب‌پوشیده کبود رنگ است ولی با خروج آب از آن سفیدرنگ می‌شود. ترکیب کبالت(II) کلرید در حالت آب‌پوشیده به رنگ زرشکی و در حالت بی‌آب به رنگ فیروزه‌ای است. این ویژگی در ترکیبات آب‌بپوشیده می‌تواند روش مناسبی برای نم‌بینی و تشخیص وجود آب و رطوبت باشد.[۷۵][۷۶]

خواص و ویژگی‌ها[ویرایش]

ظرفی که حاوی الکترولیت قوی تری باشد، رسانای قوی تری برای جریان الکتریکی است. در نتیجه لامپ در محلول الکترولیت روشن می‌شود و هر قدر روشن‌تر باشد، آن الکترولیت قوی تر است.
انحلال سدیم کلرید در آب: کاتیون‌های سدیم از طرف قطب منفی مولکول آب (اکسیژن) و آنیون‌ها از طرف قطب مثبت آب (هیدروژن) جذب می‌شوند.
نمودار انحلال‌پذیری در برابر دما برای انحلال چند ترکیب یونی در آب

خواص فیزیکی و ظاهری[ویرایش]

ترکیبات یونی، پیوند قوی یونی دارند. پس در دمای اتاق به صورت جامد و بلورینند و دمای ذوب بالایی دارند. برای مثال، دمای ذوب سدیم کلرید ۸۰۱ درجه سانتی گراد و منیزیم اکسید ۲۸۰۰ درجه سانتی گراد است. این اختلاف فاحش ناشی از تفاوت انرژی شبکه ترکیبات یونی مختلف است؛ به گونه‌ای که هر قدر انرژی شبکه بیشتر باشد، گرمای بالاتری برای سست کردن پیوندها و تبدیل آن به فاز مایع نیاز است.[۷۷]

این ترکیبات بر خلاف فلزات، شکننده و فاقد چکش خواریاند. با توجه به ساختار بلورین این ترکیبات، این پدیده به این صورت قابل توجیه است که در اثر وارد شدن نیروی خارجی به یک ساختار یونی، یون‌های با بار موافق به صورت لحظه‌ای در مجاورت هم قرار می‌گیرند و با توجه به نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین دو ذره هم‌نام، ساختار بلور از ناحیه وارد شدن نیرو دچار شکستگی می‌شود. طبیعتاً با توجه به انرژی شبکه بلور و میزان استحکام پیوند بین یون‌ها، نیروی مورد نیاز برای شکستن ترکیبات یونی مختلف متفاوت است.[۷۸][۷۹]

رنگ و شکل ظاهری ترکیبات یونی بسیار متنوع است و به عواملی چون نوع کاتیون‌ها و آنیون‌ها، ساختار بلوری، آب‌پوشیده بودن یا نبودن و همچنین نقص در ساختار بلوری آن‌ها بستگی دارد. بیشتر ترکیبات یونی شامل عناصر گروه اصلی جدول تناوبی بی‌رنگ و پارامغناطیساند؛ در حالی که ترکیبات یونی شامل عناصر واسطه عمدتاً رنگی و دیامغناطیساند و برخی از آن‌ها به عنوان رنگدانه نیز کاربرد دارند. یکی از دلایل آن وجود اوربیتال‌های d در حال پر شدن در کاتیون‌های فلزات واسطه است. تک الکترون‌های جفت نشده موجود در این اوربیتال‌ها با جذب طول موج‌های مشخصی از نور مرئی، برانگیخته می‌شوند و به همین دلیل رنگی دیده می‌شوند. در کاتیون‌های فلزات عناصر اصلی به دلیل این که ساختار لایه ظرفیت پرشده و به ساختار گاز نجیب رسیده، تک الکترونی برای برانگیخته شدن وجود نداشته و در نتیجه بی رنگ دیده می‌شوند.[۸۰][۸۱]

نمک‌های اسیدی و بازی[ویرایش]

ترکیبات یونی‌ای که در آب حل می‌شوند، می‌توانند تغییراتی در pH محلول ایجاد کنند که بر این اساس به سه دسته نمک‌های اسیدی، بازی و خنثی طبقه‌بندی می‌شوند.[۸۲]

به عنوان مثال، می‌توان به ترکیب سدیم سیانید اشاره کرد. این ترکیب به صورت زیر در آب تفکیک می‌شود:

NaCN(s) → Na+(aq) + CN(aq)

یون +Na با آب واکنشی ندارد اما یون CN به شکل زیر با آب واکنش نشان می‌دهد:

CN(aq) + H
2
O(l) ⇌ HCN(aq) + OH(aq)

با توجه به نظریه اسید–باز برونستد–لوری یون CN یک گیرنده پروتون(+H) است؛ در نتیجه، محلول NaCN خاصیت بازی پیدا می‌کند. از دیدگاهی دیگر نیز با توجه به نظریه آرنیوس، تولید (OH) در این فرایند گواه دیگری بر بازی بودن محلول حاصل است.[۸۳]

به همین ترتیب، ترکیبی مانند NH۴Cl با انحلال در آب، تولید یون Cl و NH+
۴
می‌کند. یون Cl با آب واکنش نمی‌دهد ولی یون NH+
۴
نقش دهنده پروتون(+H) را ایفا می‌کند؛ در نتیجه، یک اسید است و به محلول خاصیت اسیدی می‌دهد.[۸۴] ترکیبی چون NaCl نیز پس از انحلال در آب تولید یون‌های +Na و Cl می‌کنند که هیچ‌یک نه گیرنده و نه دهنده پروتون(+H) هستند؛ درنتیجه، نمک خنثی محسوب می‌شود.[۸۵]

رسانایی الکتریکی[ویرایش]

ترکیبات یونی در حالت جامد از یون‌های به‌هم‌فشرده تشکیل شده‌اند که امکان هیچ‌گونه تحرکی ندارند؛ در نتیجه، این ترکیبات در حالت جامد رسانایی الکتریکی ندارند اما در صورتی که این یون‌ها امکان تحرک پیدا کنند، توانایی ایجاد جریان الکتریکی را دارند. این امر در ترکیبات یونی مذاب و همچنین محلول‌های حاوی کاتیون‌ها و آنیون‌ها امکان‌پذیر است. در این حالت، یون‌ها به طرف الکترود با بار مخالف حرکت می‌کنند و با از دست دادن یا گرفتن الکترون، خنثی می‌شوند. این پدیده موجب به وجود آمدن جریانی از یون‌ها در داخل محلول می‌شود که در نتیجه ایجاد رسانایی الکتریکی می‌نماید.[۸۶]

موادی که با تفکیک شدن به یون‌های مثبت و منفی می‌توانند ایجاد رسانایی الکتریکی نمایند، اصطلاحاً الکترولیت نام دارند. هر قدر الکترولیت توانایی تفکیک بالاتری داشته باشد و بتواند تعداد بیشتری یون ایجاد نماید، الکترولیت قوی‌تری است.[۸۷]

انحلال‌پذیری[ویرایش]

همان‌طور که از نام ترکیبات یونی پیداست، این ترکیبات از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند. در حالت جامد این یون‌ها در یک شبکه منظم در کنار هم قرار گرفته و یک شبکه منسجم تشکیل می‌دهند اما در صورت قرار گرفتن در یک حلال قطبی همانند آب، این یون‌ها تفکیک شده و در حلال حل می‌شوند. فرایند حل شدن شامل جدا شدن یون‌ها از یکدیگر و تشکیل پیوند بین مولکول‌های آب و یون‌ها است. آنیون‌ها که دارای بار منفی هستند، به قطب مثبت مولکول حلال (در مولکول آب اتم هیدروژن) و کاتیون‌ها که بار منفی دارند، به طرف قطب منفی مولکول حلال (در مولکول آب اتم اکسیژن) جذب می‌شوند. فرایند جدا شدن یون‌ها گرماگیر و فرایند تشکیل پیوند بین یون‌ها و مولکول‌ها فرآیندی گرماده است.[۸۸]

با توجه به این اصل، محلول، نامحلول یا کم‌محلول بودن ترکیبات یونی در حلال را می‌توان توجیه کرد. به این ترکیب که در صورت محلول بودن ترکیب یونی، انرژی تشکیل پیوند بین حلال و یون بیشتر است و امکان تأمین انرژی کافی برای تفکیک یون‌ها را فراهم می‌آورد و هر قدر این اختلاف انرژی بیشتر باشد، این انحلال‌پذیری بیشتر است. در نقطه مقابل ترکیبی نامحلول یا کم‌محلول است که انرژی مورد نیاز برای تفکیک یون‌های آن بالا بوده و امکان تأمین آن از طریق تشکیل پیوند بین یون و مولکول حلال فراهم نمی‌باشد. به عنوان نمونه، ترکیب AgCl تنها ۰٫۰۰۹ گرم در لیتر آب حل می‌شود که نشان دهنده بالا بودن انرژی مورد نیاز برای تفکیک یون‌ها است؛ در حالی که NaCl به میزان ۳۶۵ گرم در لیتر آب قابل حل است.[۸۹]

انحلال‌پذیری ترکیبات یونی به دما وابستگی دارد. برخی ترکیبات مانند KNO۳ با افزایش دما به مقدار بیشتری در آب حل می‌شوند؛ در نقطه مقابل، ترکیبی مانند Ce۲(SO۴)۳ با افزایش دما به مقدار کمتری در آب حل می‌شود.[۹۰]

نقش حیاتی[ویرایش]

طرح‌واره‌ای از کانال یونی.
۱ - دومِـین‌های پروتئینی کانال (به‌طور معمول ۴ عدد برای هر کانال)
۲ - دهلیز بیرونی
۳ - پالایهٔ انتخاب‌کننده
۴ - قطر پالایهٔ انتخاب‌کننده
۵ - جایگاه فسفریلاسیون
۶ - غشای سلولی.
تصویر یک سنگ کلیه از جنس کلسیم اگزالات (به رنگ زرد) که نمونه‌ای از برهم خوردن تعادل طبیعی عملکرد یون‌ها در بدن است. سنگ‌های کلیه ممکن است از مواد مختلفی تشکیل شده باشند که شناخت ماهیت شیمیایی آنها، می‌تواند در درمان بیمار راهگشا باشد.

یون‌ها نقشی حیاتی در عملکرد سلولی و اندام‌های بدن دارند. به عنوان مثال، پتانسیل عمل در سیستم عصبی بدن توسط تعامل سه یون سدیم، پتاسیم و کلسیم ایجاد می‌شود. بسیاری از یون‌ها چون سدیم، پتاسیم، کلسیم، منیزیم، آهن، مس، منگنز، روی، کبالت، سلنیوم، منگنز، مولیبدن، کلرید، نیترات، فسفات و بی‌کربنات در بدن انسان به مقادیر مشخصی وجود دارند و کاهش یا تغییر در نسبت این یون‌ها می‌تواند موجب بروز بیماری یا نارسایی‌هایی در بدن شود. برخی از اعمال حیاتی و مهم یون‌ها در بدن انسان یا گیاهان به شرح زیر است:

[۱۲۴]

کاربردها[ویرایش]

به‌عنوان ماده اولیه[ویرایش]

ترکیبات یونی طیف گسترده‌ای از مواد با خواص متنوع و پیچیده را شامل می‌شوند؛ در نتیجه، کاربردهای گسترده‌ای در تولید دیگر مواد تجاری دارد. به عنوان مثال، ترکیبات حاوی یون لیتیوم در تولید باتری‌های یون‌لیتیم کاربرد دارند.[۱۲۵] ترکیبات حاوی یون فلورید مانند سدیم مونوفلوروفسفات برای جلوگیری از پوسیدگی دندان در خمیر دندان‌ها استفاده می‌شود.[۱۲۶] برخی از ترکیبات یونی مانند کلسیم اکسید خود به عنوان ماده اولیه در تولید دیگر ترکیبات یونی مانند سدیم هیدروکسید، سدیم کربنات و کلسیم کاربید کاربرد دارند.[۱۲۷] انواع سیمان‌ها محصولات شیمیایی تجاری هستند که در تولید آن‌ها از مواد اولیه‌ای مانند کلسیم سیلیکات‌ها، آلومینات‌ها و سولفات‌ها استفاده می‌شود.[۱۲۸]

ترکیبات یونی حاوی طیف گسترده‌ای از عناصر هستند و اکثر عناصر به نوعی در ترکیبات یونی حضور دارند؛ در نتیجه، از این ترکیبات می‌توان به عنوان ماده اولیه در فرآوری دیگر عناصر بهره برد. مثلاً می‌توان فلز جیوه را با حرارت دادن جیوه سولفید که بخش عمده کانسنگ شنگرف را تشکیل می‌دهد، به دست آورد.[۱۲۹] گاز کلر را می‌توان به صورت تجاری از محلول‌های حاوی سدیم کلرید و منیزیم کلرید به دست آورد.[۱۳۰] آهن و آلومینیوم از دیگر عناصری هستند که از دیرباز با استفاده از روش‌های الکتروشیمیایی از ترکیبات حاوی آن‌ها جداسازی می‌شوند.[۱۳۱]

به‌عنوان ماده رنگ‌زا[ویرایش]

رنگ زرد بدنه بمب‌افکن‌های نورث امریکن بی-۲۵ میتچل در سال ۱۹۴۲ که به‌وسیله پوششی حاوی روی کرومات رنگ آمیزی شده‌است.

رنگ و جلوه بصری یک از ویژگی‌های منحصر به فرد ترکیبات معدنی از جمله ترکیبات یونی است که از دیرباز توسط بشر شناخته شده‌اند. این ویژگی می‌تواند به دلیل وجود یک یون رنگزا یا وجود ناخالصی در ماده یا وجود نوعی نقص ساختاری در ساختار بلوری ماده باشد. این عوامل باعث می‌شوند تا الکترون‌ها از سطحی از انرژی به سطحی دیگر منتقل شوند که این فرایند با آزاد شدن انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی همراه است و توسط چشم انسان به رنگ‌های مختلف دیده می‌شود.[۱۳۲] به‌طور تجربی مشخص شده‌است که ترکیبات یونی حاوی فلزات واسطه، تمایل بیشتری به ایجاد ترکیبات رنگی متنوع دارند.[۱۳۳]

امروزه، در صنعت رنگرزی و رنگ‌سازی از مواد رنگزای مختلفی استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها ساختار آلی داشته و برخی نیز منشأ معدنی دارند. برخی از این مواد رنگزای یونی که بر اساس رنگ دسته‌بندی می‌شوند، عبارتند از:[۱۳۴]

باتری و تولید الکتریسیته[ویرایش]

یکی از توانایی‌های منحصربه‌فرد ترکیبات یونی ایجاد محلول الکترولیت در صورت انحلال در آب است که این زمینه را برای کاربرد وسیع در صنایع ساخت باتری و سلول‌های الکتریکی فراهم می‌سازد. نخستین باتری الکتریکی امروزی توسط دانشمند ایتالیایی آلساندرو ولتا و با استفاده از صفحات فلز روی و مس تولید شد. در این باتری با اکسایش فلز روی و احیای فلز مس، یک جریان الکتریکی تولید می‌شد.[۱۳۹] امروزه، طیف وسیعی از باتری‌ها برای کاربردهای ویژه ساخته می‌شوند. برخی مانند باطری‌های یون‌لیتیم یا باتری‌های نیکل–کادمیم از یک واکنش برگشت‌پذیر تولید الکتریسته می‌کنند؛ در نتیجه، باطری‌های قابل شارژ هستند. در نقطه مقابل باتری‌های قلیایی بر اساس یک واکنش برگشت ناپذیر عمل می‌کنند؛ در نتیجه، یک بار مصرف هستند.[۱۴۰]

کاربرد خوراکی و دارویی[ویرایش]

گلاتیرامر استات یک داروی تعدیل‌کننده سیستم ایمنی بدن است که برای درمان بیماری ام‌اس استفاده می‌شود. گلاتیرامر استات به صورت تزریق زیرجلدی تجویز می‌شود.

ترکیبات یونی به لحاظ تأثیر بر بدن انسان‌ها طیف گسترده‌ای از اثرات را دارند. خوردن مقادیر اندکی از ترکیباتی چون KCN، HgO یا AlP می‌تواند بسیار مهلک و مرگ‌آور باشد. در نقطه مقابل، ترکیبی چون نمک طعام از دیرباز یکی از طعم‌دهنده‌های شناخته‌شده و پرکاربرد از این ترکیبات در زندگی روزمره بشر بوده‌است.[۱۴۱] جوش شیرین و بیکینگ پودر که حاوی ترکیبات یونی چون NaHCO۳ هستند، در پخت نان و شیرینی به عنوان عامل ورآورنده کاربرد دارند.[۱۴۲] در صنایع غذایی مونوسدیم گلوتامات به عنوان معطرکننده و تحریک‌کننده، کلسیم فسفات‌ها به عنوان ضد کپک[۱۴۳] و سدیم نیتریت نیز در ساخت فرآورده‌های گوشتی چون سوسیس و کالباس به عنوان نگه دارنده کاربرد دارند.[۱۴۴]

بسیاری دیگر از ترکیبات یونی به عنوان مکمل خوراکی به صورت کپسول و قرص برای تأمین ریزمغذی‌های مورد نیاز بدن کاربرد دارند. علاوه بر این، در علم فارماکولوژی نیز برای بهبود در فرایند دارورسانی از تکنیک‌هایی استفاده می‌شود که طی آن ترکیبات دارویی نامحلول در آب، با واکنش با برخی اسیدها به نمک‌های محلول در آب تبدیل می‌شوند. نمونه‌ای از این فرایند هیدروکلرید کردن ترکیبات دارویی آمینی یا آمیدی مانند متفورمین یا بوپروپیون است. در طی این فرایند، HCl به نیتروژن آمینی یک +H داده و آن را تبدیل به یک کاتیون می‌کند. HCl نیز به آنیون Cl تبدیل می‌شود؛ در نتیجه، نمکی از ماده موثره دارویی و کلرید حاصل می‌شود. عمده نمک‌های دارویی به شکل کلرید هستند (۱۵٫۵٪) اما شکل‌های دیگر نمک‌های دارویی نیز وجود دارند که حاوی یون‌هایی چون سدیم (۹٪)، سولفات (۴٪)، استات (۲٫۵٪)، فسفات (۱٫۹٪) و… هستند. بیش از ۵۰٪ مولکول‌های دارویی موجود در بازار به‌صورت نمک عرضه می‌شوند. شکل نمک دارو عمدتاً تأثیری بر اثرات دارویی ماده موثره ندارد و تنها باعث افزایش انحلال‌پذیری دارو و بهبود در فرایند دارورسانی می‌شود.[۱۴۵][۱۴۶][۱۴۷][۱۴۸]

مایع یونی[ویرایش]

ترکیبات یونی متداول به دلیل داشتن دمای ذوب بالا در دمای اتاق به صورت جامد هستند و حالت مایع آن‌ها در دماهای بالا موجود است. اما در مواردی خاص ترکیبات یونی وجود دارند که در دماهای پائین به صورت مایع هستند. مایع یونی به صورت علمی به صورت زیر تعریف می‌شود:[۱۴۹]

مایع یونی به ترکیبات یونی اطلاق می‌شود که در دمای زیر ۳۷۳ کلوین(۱۰۰ درجه سانتی گراد) به صورت مایع باشند.

جستارهای وابسته[ویرایش]

یادداشت‌ها[ویرایش]

  1. ion
  2. Hard acid/base
  3. Soft acid/base
  4. Alum
  5. Prussian blue
  6. Berlin blue
  7. Parisian blue
  8. Binary
  9. باید در این روش توجه داشت که پسوند به نام لاتین عنصر اضافه می‌شود؛ در نتیجه، اسامی فارسی و حتی انگلیسی در این روش قابل استفاده نیستند؛ مثلاً Fe در لاتین با نام "ferr" شناخته می‌شود و نام‌های «آهن» یا "Iron" قابل استفاده نیست.
  10. Polyatomic Ions
  11. در زبان انگلیسی ous به ite و ‎ic به ‎ate تبدیل می‌شود.
  12. برای اتم‌های فلوئور، برم و ید نیز به ترتیب هیپوفلوریت، هیپوبرمیت و هیپویدیت خواهد بود.
  13. برای اتم‌های فلوئور، برم و ید نیز به ترتیب فلوریت، برمیت و یدیت خواهد بود.
  14. برای اتم‌های فلوئور، برم و ید نیز به ترتیب فلورات، برمات و یدات خواهد بود.
  15. برای اتم‌های فلوئور، برم و ید نیز به ترتیب پرفلورات، پربرمات و پریدات خواهد بود.
  16. Single replacement reactions
  17. double replacement reaction
  18. Precipitation reactions
  19. James Cloyd Downs

پانویس[ویرایش]

  1. «William Bragg's spectrometer».
  2. «ion».
  3. «Michael Faraday (1791-1867)».
  4. Stern، «Goddard Space Flight Center».
  5. Bragg و Bragg، «The Reflection of X-rays by Crystals».
  6. Bragg، «The reflection of X-rays by crystals. (II.)».
  7. Sherman، «Crystal Energies of Ionic Compounds and Thermochemical Applications».
  8. Sherman، «Crystal Energies of Ionic Compounds and Thermochemical Applications».
  9. Brindley و James، «A quantitative study of the reflexion of X-rays by sylvin.».
  10. Sherman، «Crystal Energies of Ionic Compounds and Thermochemical Applications».
  11. Miessler، Fischer و Tarr، Inorganic Chemistry، 226.
  12. Hustrulid، «Ore».
  13. Rutledge، «Ore».
  14. شارپ، فرهنگ شیمی، 449.
  15. «Description of the Atmosphere».
  16. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 270-271.
  17. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 270.
  18. شارپ، فرهنگ شیمی، ۷۰۳–۷۰۴.
  19. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 270-271.
  20. شارپ، فرهنگ شیمی، ۵۴۳.
  21. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 272.
  22. Miessler، Fischer و Tarr، Inorganic Chemistry، 226.
  23. Yoder، «Ionic Compounds: Applications of Chemistry to Mineralogy»، 19-22.
  24. Miessler، Fischer و Tarr، Inorganic Chemistry، 201-205.
  25. Silberberg، Principles of General Chemistry، 283.
  26. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 272.
  27. Pauling، The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: an introduction to modern structural chemistry، 507.
  28. Kittel، Introduction to solid state physics، 64.
  29. Pauling، The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: an introduction to modern structural chemistry، 509.
  30. Carter، «Lattice Energy».
  31. Silberberg، Principles of General Chemistry، 281-282.
  32. Silberberg، Principles of General Chemistry، 374.
  33. «Crystal system».
  34. Borchardt-Ott، «Crystallography»، 293-300.
  35. شارپ، فرهنگ شیمی، ۶۷۷.
  36. McGraw-Hill، «McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Chemistry»، 517-518.
  37. شارپ، فرهنگ شیمی، 33.
  38. McGraw-Hill، «McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Chemistry»، 27.
  39. «Alum».
  40. شارپ، فرهنگ شیمی، 197.
  41. «Prussian blue».
  42. شارپ، فرهنگ شیمی، 212.
  43. Silberberg، Principles of General Chemistry، 53-54.
  44. Connelly، «Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005»، 6,8.
  45. Connelly، «Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC Recommendations 2005»، 72,73.
  46. Silberberg، Principles of General Chemistry، 54.
  47. Silberberg، Principles of General Chemistry، 55.
  48. Silberberg، Principles of General Chemistry، 55.
  49. Silberberg، Principles of General Chemistry، 54,55.
  50. Silberberg، Principles of General Chemistry، 56.
  51. شارپ، فرهنگ شیمی، 560.
  52. Silberberg، Principles of General Chemistry، 56.
  53. Connelly، Nomenclature of Inorganic Chemistry: IUPAC، 254,251.
  54. Silberberg، Principles of General Chemistry، 56.
  55. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 55.
  56. Norman، «Chemical compound».
  57. «Guanidinium».
  58. «Fluoronium».
  59. «Pyrylium».
  60. عابدینی و محمدی بقاعی، شیمی آلی فلزی، ۲.
  61. عابدینی و محمدی بقاعی، شیمی آلی فلزی، ۲.
  62. Miessler، Fischer و Tarr، Inorganic Chemistry، 317-321.
  63. شارپ، فرهنگ شیمی، 728.
  64. «Single replacement reactions».
  65. Silberberg، Principles of General Chemistry، 122-125.
  66. McGraw-Hill، «McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Chemistry»، 197-201-202.
  67. Downs، «U.S. Patent no. 1,501,756».
  68. «Production of Aluminum: The Hall-Héroult Process».
  69. «Ammonium Dichromate Volcano».
  70. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 127-128.
  71. Galwey و Brown، «Thermal Decomposition of Ionic Solids»، 345,349,350.
  72. Galwey و Brown، «Thermal Decomposition of Ionic Solids»، 329.
  73. Galwey و Brown، «Thermal Decomposition of Ionic Solids»، 370-371.
  74. Neugebauer و Margrave، «The Heat Formation of Ammonium Dichromate».
  75. شارپ، فرهنگ شیمی، ۳۸۷.
  76. Yoder، «Ionic Compounds: Applications of Chemistry to Mineralogy»، 155-156.
  77. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 378.
  78. Silberberg، Principles of General Chemistry، 116, 117.
  79. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 379-380.
  80. Silberberg، Principles of General Chemistry، 737, 742.
  81. Yoder، «Ionic Compounds: Applications of Chemistry to Mineralogy»، 135،147،148.
  82. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 558.
  83. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 558.
  84. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 558.
  85. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 559.
  86. Silberberg، Principles of General Chemistry، 117, 118.
  87. شارپ، فرهنگ شیمی، 276.
  88. Silberberg، Principles of General Chemistry، 116, 117.
  89. Silberberg، Principles of General Chemistry، 117.
  90. Ebbing و Gammon، «General Chemistry»، 410-411.
  91. Higdon، «Calcium».
  92. Bettger و Bray، «The physiological role of zinc as an antioxidant».
  93. Bettger و Bray، «The physiological role of zinc as an antioxidant».
  94. Bettger و Bray، «The physiological role of zinc as an antioxidant».
  95. Niemeyer، Mery و Zawar، «Ion channels in health and disease».
  96. Marban، Yamagishi و Tomaselli، «Structure and function of voltage‐gated sodium channels».
  97. Al-Ghamdi، Cameron و Sutton، «Magnesium Deficiency: Pathophysiologic and Clinical Overview».
  98. «Magnesium».
  99. Erikson و Ascher، «Essential Metals in Medicine: Therapeutic Use and Toxicity of Metal Ions in the Clinic»، 253–266.
  100. Law، Caudle و Pecoraro، «Manganese Redox Enzymes and Model Systems: Properties, Structures, and Reactivity».
  101. Takeda، «Manganese action in brain function».
  102. Levy و Nassetta، «Neurologic Effects of Manganese in Humans: A Review».
  103. Silva Avila، Luiz Puntel و Aschner، «Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases»، 199–227.
  104. Berend، van Hulsteijn و Gans، «Chloride: The queen of electrolytes?».
  105. Rein و Coca، «“I don’t get no respect”: the role of chloride in acute».
  106. Gupta و Kaur، «Chloride Ion Channels: Structure, Functions, and Blockers».
  107. Gupta و Kaur، «Chloride Ion Channels: Structure, Functions, and Blockers».
  108. «Clinical correlates of pH levels: bicarbonate as a buffer».
  109. Battaglia، Compagnone و Bandino، «Cobalt induces oxidative stress in isolated liver mitochondria responsible for permeability transition and intrinsic apoptosis in hepatocyte primary cultures».
  110. Karovic، Tonazzini و Rebola، «Toxic effects of cobalt in primary cultures of mouse astrocytes: Similarities with hypoxia and role of HIF-1α».
  111. Battaglia، Compagnone و Bandino، «Cobalt induces oxidative stress in isolated liver mitochondria responsible for permeability transition and intrinsic apoptosis in hepatocyte primary cultures».
  112. Karovic، Tonazzini و Rebola، «Toxic effects of cobalt in primary cultures of mouse astrocytes: Similarities with hypoxia and role of HIF-1α».
  113. Levy و Nassetta، «Neurologic Effects of Manganese in Humans: A Review».
  114. Ortega، Bresson و Fraysse، «Cobalt distribution in keratinocyte cells indicates nuclear and perinuclear accumulation and interaction with magnesium and zinc homeostasis».
  115. Levy و Nassetta، «Neurologic Effects of Manganese in Humans: A Review».
  116. Higdon، «Iron».
  117. Higdon، «Iron».
  118. «Iron deficiency – United States, 1999–2000».
  119. Hider و Kong، «Chapter 8. Iron: Effect of Overload and Deficiency».
  120. Dlouhy و Outten، «Chapter 8.4 Iron Uptake, Trafficking and Storage».
  121. Higdon، «Iron».
  122. 2014 و دیگران، «Epidemiological and nonclinical studies investigating effects of iron in carcinogenesis--a critical review».
  123. Powlson و دیگران، «When Does Nitrate Become a Risk for Humans?».
  124. Thompson، «Overview of Nitrate and Nitrite Poisoning».
  125. شارپ، فرهنگ شیمی، 453.
  126. Weinert، Oral Hygiene Products.
  127. شارپ، فرهنگ شیمی، 128.
  128. شارپ، فرهنگ شیمی، 148 و 149.
  129. شارپ، فرهنگ شیمی، 476.
  130. شارپ، فرهنگ شیمی، 159.
  131. شارپ، فرهنگ شیمی، 29 و 415.
  132. Yoder، «Ionic Compounds: Applications of Chemistry to Mineralogy»، 135.
  133. شارپ، فرهنگ شیمی، ۷۸۰.
  134. شارپ، فرهنگ شیمی، ۶۰۳.
  135. Buxbaum، «Industrial Inorganic Pigments»، 51.
  136. Buxbaum، «Industrial Inorganic Pigments»، 121.
  137. Buxbaum، «Industrial Inorganic Pigments»، 123.
  138. Buxbaum، «Industrial Inorganic Pigments»، 136.
  139. Lefrou، Fabry و Poignet، Electrochemistry، 10-11.
  140. Lefrou، Fabry و Poignet، Electrochemistry، 30.
  141. شارپ، فرهنگ شیمی، 703.
  142. شارپ، فرهنگ شیمی، 706.
  143. شارپ، فرهنگ شیمی، 333.
  144. کاتزونگ، فارماکولوژی پایه وبالینی، 270.
  145. «Hydrochloride».
  146. Serajuddin، «Salt formation to improve drug solubility».
  147. Anderson، «Drug Names and Their Pharmaceutical Salts - Clearing Up the Confusion».
  148. «What Does HCl Mean on a Prescription Bottle? Understanding Salt Forms of Medication».
  149. Housecroft و Sharpe، «Inorganic Chemistry»، 285.

منابع[ویرایش]

منابع فارسی

  • عابدینی، منصور؛ محمدی بقاعی، داور (۱۳۹۲). شیمی آلی فلزی. تهران: موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۲۰۸-۰۷۶-۲.
  • شارپ، دیوید ویلیام آرتور (۱۳۹۴). فرهنگ شیمی. ترجمهٔ عیسی یاوری. تهران: نوپردازان. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۹۷۵-۲۴۰-۲.
  • کاتزونگ، برترام جی. (۱۳۹۸). فارماکولوژی پایه وبالینی. ۱. ترجمهٔ مجید متقی‌نژاد. تهران: اندیشه رفیع. شابک ۹۷۸-۹۶۴-۹۸۷-۸۰۲-۷.


منابع انگلیسی


مقاله‌ها


وب‌سایت‌ها و منابع برخط