Ионная связь. Ненаправленность и ненасыщенность ионной связи. Электростатическое взаимодействие ионов. Поляризуемость и поляризующая способность ионов.

Ионная связь – это химическая связь, которая осуществляется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов.

Таким образом, процесс образования ионной связи сводится к переходу электронов от атомов натрия к атомам хлора с образованием противоположно заряженных ионов, имеющих завершенные электронные конфигурации внешних слоев.

Ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщенностью.
Ненаправленность ионной связи (отличие от ковалентной связи) - одно из важнейших ее свойств. Это означает, что каждый ион может притягивать к себе ионы противоположного знака по любому направлению.

Ненасыщаемость ионной связи следует из того, что каждый заряд может притягивать любое число противоположных зарядов (очевидно, что с увеличением расстояния между зарядами сила притяжения между ними ослабевает).
Это связь очень сильная и ее очень трудно разорвать физическим путем (плавлением например) именно поэтому ионные соединения имеют высокую температуру плавления. Ионные соединения растворяются в полярных растворителях таких как вода например, а растворяются они потому что полярные молекулы воды "захватывают" и удерживают катионы и анионы.

Природа электростатических взаимодействий определяется кулоновским притяжением противоположно заряженных групп или атомов и отталкиванием одноименно заряженных. Энергия электростатического взаимодействия заряженных частиц определяется законом Кулона, где Z1,Z2 — заряды взаимодействующих частиц; е — заряд электрона, равный 1,6*10-19 Кл; ε — диэлектрическая проницаемость среды; l — расстояние между частицами.

Энергия взаимодействия заряженных частиц может быть весьма значительна. Так, в вакууме энергия взаимодействия частиц, находящихся на расстоянии 0,1 нм, составляет 1380 кДж/моль; на расстоянии 0,3 нм — 460 кДж/моль. Однако в водном растворе, особенно в растворах электролитов, кулоновское взаимодействие существенно ослабляется. Молекулы воды имеют большой дипольный момент и поэтому способны, взаимодействуя с заряженными частицами, частично компенсировать их взаимное влияние. Диэлектрическая проницаемость воды равна ε = 80, и согласно закону Кулона сила взаимодействия заряженных частиц в воде будет в 80 раз меньше, чем в вакууме.

Из изложенного следуют два важных для практики вывода:

в органических растворителях или в микрофазе, близкой по характеристикам к гидрофобному аполярному органическому растворителю, сила электростатического взаимодействия заряженных групп возрастает по сравнению с водой (диэлектрическая проницаемость органического растворителя существенно меньше диэлектрической проницаемости воды);

введение в систему дополнительных заряженных ионов должно приводить к ослаблению электростатического взаимодействия в силу экранирования зарядов введенными ионами.

Характеристикой влияния дополнительных ионов является ионная сила раствора электролита.

В реальных системах в присутствии диполей воды и дополнительных электролитов энергия ионных взаимодействий не превышает 12 — 20 кДж/моль, хотя может сильно возрастать в локальной области микроорганической фазы белковой молекулы.

При известной функции потенциальной энергии U(r) электростатические взаимодействия могут быть детально проанализированы. Теоретически в аналитической форме значение l рассчитано для двух случаев — для бесконечно разбавленных растворов электролитов и для растворов электролитов, подчиняющихся предельному закону Дебая — Хюккеля.

Бесконечно разбавленные растворы электролитов. В растворах электролитов при бесконечном разбавлении потенциальная энергия взаимодействия заряженных частиц описывается законом Кулона.

Влияние общего заряда белковой глобулы. Анализ электростатических эффектов не учитывает воздействие на ферментативную реакцию общего заряда белковой глобулы. При исследовании ферментативной реакции в условиях, близких к изоэлектрической точке белка, этим эффектом действительно можно пренебречь.

Однако при проведении реакции вдали от изоэлектрической точки в условиях, когда белковая глобула несет большой заряд, влияние общего заряда глобулы может быть весьма значительным.

Предполагалось, что общий заряд белка можно представить равнодействующим зарядом, локализованным в центре сферической глобулы. Диэлектрические свойства среды считались постоянными по всему объему и характеризовались диэлектрической проницаемостью. В рассматриваемом приближении предполагалось также, что потенциальная энергия взаимодействия заряженных частиц не зависит от угловых характеристик и взаимодействие зарядов имеет линейный характер.

Влияние заряда глобулы может быть весьма значительным. Если субстрат заряжен и реакция проводится вдали от изоэлектрической точки, можно ожидать увеличения или уменьшения энергии взаимодействия примерно на два порядка.

Важно отметить, что электростатические взаимодействия являются ненаправленными в отличие, например, от водородной связи.

Ослабление электростатического взаимодействия при высоких концентрациях солей часто используют в препаративной химической энзимологии. Например, выделение белков в большинстве случаев включает стадию осаждения белков концентрированным раствором электролита, часто сульфата аммония. При этом в первую очередь происходит нейтрализация зарядов белковых молекул и агрегация белка.

Электростатическое воздействие на частицу вызывает в ней смещение электронного облака относительно ядра - поляризацию. Величина этого смещения пропорциональна поляризуемости частицы. Поляризация ионов сочетает их поляризуемость и поляризующее действие.