ترکیب یونی: نوعی از ترکیبات شیمیایی

شکل متداول ترکیبات یونی از یک فلز به‌عنوان کاتیون و یک نافلز به‌عنوان آنیون تشکیل می‌شود؛(استثنا هایی مانند ترکیب امونیوم با نافلز ها که یونی هستند وجود دارد) فلزها تمایل به ازدست‌دادن الکترون و تبدیل‌شدن به یون مثبت را دارند، و نافلزها تمایل به گرفتن الکترون و تبدیل‌شدن به یون منفی را دارند. ترکیبات یونی به‌طور طبیعی در سنگ‌های معدنی و به صورت محلول در آب دریاها و اقیانوس‌ها یافت می‌شوند اما 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 گونه‌ای پیوند شیمیایی بسیار قوی به نام پیوند یونی تشکیل می‌شوند؛ در نتیجه، این ترکیبات از دمای ذوب و جوش بالایی برخوردارند و عمدتاً در دمای اتاق به صورت جامد هستند. در حالت جامد، ترکیبات یونی می‌توانند شکل بلورین منظم داشته باشند که از قواعد موجود برای توصیف ساختارهای بلوری در علم بلورشناسی پیروی می‌کند. در حالت محلول در حلال‌های قطبی نظیر آب، این ترکیبات 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 در ترکیب — که به آن سلول واحد گفته می‌شود — به‌عنوان فرمول شیمیایی ترکیبات یونی ذکر می‌شود. سختی، شکنندگی، نارسانایی الکتریکی در حالت جامد، رسانایی الکتریکی در حال مذاب و محلول، و تنوع رنگی بالا از ویژگی‌های این ترکیبات است. عدهٔ اندکی از ترکیبات یونی در دماهای متعارف مایع هستند که به آن‌ها مایع یونی گفته می‌شود.

ترکیبات یونی از دیرباز برای بشر شناخته شده بودند؛ از جمله نمک طعام که به‌عنوان طعم‌دهنده در غذاها کاربرد دارد. اسامی متعددی بر روی برخی از ترکیبات یونی 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 آن‌ها استفاده می‌شود. ترکیبات یونی در بدن جانداران، 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.

ترکیبات یونی کاربردهای فراوانی در صنایع دارند؛ همچون مواد رنگزا، مواد اولیه برای تولید محصولات دیگر، فرآوری بسیاری از فلزات، تولید باتری و پیل‌های الکتروشیمیایی. در صنایع غذایی از این ترکیبات به‌عنوان نگه‌دارنده، طعم‌دهنده و عامل ورآورنده استفاده می‌شود و در صنایع دارویی به‌عنوان 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.

ترکیب‌های یونی گونه‌ای از ترکیب‌های شیمیایی هستند که ذرات آن از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده و به وسیله پیوند یونی به یکدیگر متصل شده‌اند. شکل متداول ترکیبات یونی از یک فلز به‌عنوان کاتیون و یک نافلز به‌عنوان آنیون تشکیل می‌شود؛ فلزها تمایل به ازدست‌دادن الکترون و تبدیل‌شدن به یون مثبت را دارند، و نافلزها تمایل به گرفتن الکترون و تبدیل‌شدن به یون منفی را دارند.

 

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 سازنده‌شان تفکیک کرد. در سال ۱۸۳۴ م. وی این اجزا را «یون» نامید که در زبان یونانی به معنی «رونده» یا «متحرک» است. به این ترتیب او موفق شد که نخستین قوانین الکترولیز در شیمی را تدوین کند. یک سال بعد، سوانت آرنیوس دانشمند سوئدی نشان داد که نمک طعام یا همان سدیم کلرید در آب به اجزای سازنده آن یعنی یون‌های مثبت و منفی تفکیک می‌شود.

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

سپس و در خلال دهه ۱۹۲۰ م. 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 نیستند بلکه یون‌های با بار الکتریکی ناهمنام هستند؛ به عبارتی، یک نیروی الکترواستاتیکی قوی موجب کنار هم قرار گرفتن این ذرات شده‌است. این فرضیه توسط بازتابندگی پرتو ایکس که چگالی الکترون‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، اثبات شد.

مطالعهٔ دیگری که به شناخت دقیق‌تر این ترکیب‌ها انجامید، توسط دو دانشمند آلمانی به نام‌های فریتس هابر و ماکس برن در سال ۱۹۱۹ م. انجام گرفت. نظریهٔ آن‌ها که به چرخه بورن–هابر مشهور شد، در واقع روشی است که طی آن می‌توان انرژی شبکه یک بلور یونی را با به‌کارگیری یک روش محاسباتی به دست آورد. این روش بر پایهٔ قانون هس بنا شده‌است.

ترکیبات یونی بخش مهمی از اجزای سازندهٔ کرهٔ 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. ترکیبات یونی به دلیل دمای ذوب و جوش بالا در طبیعت عموماً به صورت جامد یافت می‌شوند و به هیچ وجه به حالت گازی در هواکره وجود ندارند. اجزای عمدهٔ هواکره شامل گازهای ساده مانند گاز نیتروژن، اکسیژن و کربن دی‌اکسید هستند که همگی دارای ساختار مولکولی با پیوندهای کووالانسی هستند.

•  
  هماتیت یکی از سنگ‌های طبیعی حاوی مقادیر قابل توجهی آهن(III) اکسید است.
•  
  شنگرف یا سینابر سنگ معدنی حاوی جیوه سولفید
•  
  مرمر سبز یا مالاکیت حاوی کربنات و هیدروکسید مس
•  
  کاسیتریت حاوی قلع(IV) اکسید
•  
  سنگ نمک یا هالیت حاوی سدیم کلرید
•  
  سنگ آهک حاوی کلسیم کربنات

 

پیوند یونی یک پیوند شیمیایی است که به واسطهٔ 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، شمار بسیاری از این یون‌ها در کنار هم با ساختاری منظم و بلورین در کنار هم قرار گرفته و تشکیل یک ترکیب یونی را می‌دهند. مروری بر فرایند تشکیل سدیم کلرید از اتم‌های سدیم و کلر می‌تواند به درک این موضوع کمک کند:

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

پس در لایهٔ ظرفیت اتم سدیم یک اوربیتال s با یک الکترون وجود دارد که با ازدست‌دادن آن بنابر 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:

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.

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.

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 به‌کارگیری قواعد فاجانس امکان‌پذیر است که نخستین بار در سال ۱۹۲۳ م. توسط شیمیدان لهستانی-آمریکایی کازیمیرز فاجانس مطرح شد. همچنین، به شکلی دقیق‌تر می‌توان رفتار یونی یا کووالانسی پیوندها را با به‌کارگیری نظریه اچ‌اس‌ای‌بی که نخستین بار در دههٔ ۱۹۶۰ م. توسط شیمیدان آمریکایی رالف پیرسون مطرح شد، توصیف کرد. این نظریه بیان می‌کند که از واکنش اسید و باز سخت، یک پیوند یونی و از واکنش اسید و باز نرم، یک پیوند کووالانسی تشکیل می‌شود.

 

ترکیبات یونی در حالت جامد از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند که با ساختار هندسی منظم در کنار هم قرار گرفته‌اند. مطالعهٔ دقیق این ساختارها در حوضهٔ مطالعات علم بلورشناسی قرار دارد. بسیاری از ویژگی‌های ترکیبات یونی با این ساختار توجیه‌پذیرند. به‌عنوان 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 دارای بار مشابه در پی وارد آمدن یک نیروی خارجی است.

چیدمان یون‌ها در این ساختار همواره به گونه‌ای است که کمترین انرژی شبکهٔ ممکن برای آن ساختار به وجود بیاید یعنی بیشترین جاذبه و کمترین دافعه بین ذرات برقرار شود. انرژی شبکهٔ 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. انرژی شبکه در واقع جمع اثر متقابل نیروهای دافعه و جاذبه در یک ساختار بلوری است. برای یون‌های کرویِ قطبش‌ناپذیر، دانستن بار ذره و فواصل ذرات برای محاسبهٔ انرژی جاذبهٔ 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. که به شکل مؤثری می‌توان با جمع اوالد آن را محاسبه کرد. هنگامی که شکلی معقول برای انرژی دافعه اضافی مفروض باشد، انرژی شبکهٔ کل را می‌توان با به‌کارگیری معادله برن–لانده، معادله برن–مایر و در صورت نبودن اطلاعاتی از ساختار شبکه، می‌توان با به‌کارگیری معادله کاپوستینسکی، مدل‌سازی کرد.

انرژی شبکهٔ یک ترکیب یونی با تغییر میزان بار و شعاع یون‌ها تغییر می‌کند؛ هرقدر یون‌ها بار بیشتر و شعاع کمتری داشته باشند، انرژی شبکه بیشتر خواهد بود. به این ترتیب، می‌توان با به‌کارگیری 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.

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

هفت دستگاه بلوری اصلی

سه‌شیب (تری‌کلینیک)	تک‌شیب (مونوکلینیک)	راست‌لوزی (اورتورومبیک)	چهارگوشه (تتراگونال)	شش‌گوشه (هگزاگونال)	سه گوشه (تریگونال)	مکعبی (کوبیک)

عیوب ساختاری

 

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

 

بلوری با نقص فرنکل که در آن یک کاتیون از جای خود مهاجرت کرده و در نقطه دیگری بین‌نشینی کرده‌است.

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:

• 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.

نقص شاتکی و فرنکل دو نوع شناخته شده از نقض‌های بلوری هستند. در نقض شاتکی که گونه‌ای نقص نقطه ای است، به شمار استوکیومتری، کاتیون و آنیون از ساختار بلور خارج می‌شود اما در مجموع بلور خنثی باقی می‌ماند. نقض فرنکل عمدتاً در مواردی مشاهده می‌شود که تفاوت قابل توجهی در اندازه کاتیون‌ها و آنیون‌ها وجود دارد. در این حالت یون کوچک‌تر (عمدتا کاتیون) از جای خود مهاجرت کرده و با ایجاد یک فضای خالی، در نقطه دیگری بین‌نشینی ایجاد می‌کند.

به لحاظ ترمودینامیکی ایجاد نقض در یک بلور منظم فرآیندی گرماگیر است اما در عین حال موجب افزایش آنتروپی می‌شود که عاملی مطلوب و پیش برنده برای ایجاد نقض در ساختار بلور است. نقض‌های بلوری بر ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها نیز اثرگذار است. بلورهای دارای نقض ساختاری معمولاً در ویژگی‌هایی چون رنگ، رسانایی الکتریکی و چگالی با بلورهای بدون نقض تفاوت دارند. این تفاوت در تولید کاتالیزگرها، مواد نیمه‌رسانا و مواد لومینسانس کاربرد دارد.

روش سنتی

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

• نمک‌ها

نمک‌ها به دسته‌ای از ترکیبات یونی گفته می‌شوند 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 دستهٔ 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 Na_۳HPO_۴ و NaHCO_۳ که با انحلال در آب ویژگی 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 Na_۲SO_۴ و Na_۳PO_۴ که در آب خنثی هستند، نمک خنثی نامیده می‌شوند.

• زاج‌ها

 

زاج‌ها دسته‌ای از ترکیبات یونی با فرمول کلی XAl(SO
۴)
۲·۱۲H
۲O هستند که در واقع نمک آب‌پوشیده و مضاعفی از سولفات آلومینیم و سولفاتِ یک کاتیون تک ظرفیتی مانند پتاسیم است. در این فرمول کلی X می‌تواند هر نوع 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(SO_۴)_۲·۱۲H_۲O)، زاج پتاسیم (KAl(SO_۴)_۲·۱۲H_۲O) و زاج آمونیوم (NH
۴Al(SO
۴)
۲·۱۲H
۲O).

زاج‌ها در صنایع دباغی، نساجی و کاغذسازی و همچنین برای تهیه بیکینگ پودر کاربرد دارند. این ترکیبات به‌عنوان عامل لخته‌ساز در صنایع تصفیه آب نیز کاربرد دارند.

• 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.

برخی ترکیبات به نام مکان خاصی نامگذاری شده‌اند؛ مانند «آبی پروسی» 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» و «آبی پاریسی» نیز شناخته می‌شود.

روش مدرن

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 (ترکیباتی که در آن کاتیون و آنیون تنها از یک نوع اتم ساخته شده‌اند، مانند NaCl، CaBr_۲ ،LiI ،AlN و …) ابتدا نام کاتیون که یک فلز است، بدون تغییر می‌آید؛ سپس نام آنیون با افزودن -ید یا -اید (در زبان‌های دارای ریشهٔ لاتین نظیر انگلیسی و فرانسوی به صورت ide-) به انتهای نام نافلز تشکیل‌دهنده آنیون می‌آید.

برای درک روش اندیس‌گذاری در این ترکیبات باید به این قاعده توجه داشت که باید قدر مطلق بار کاتیون به‌عنوان اندیس آنیون و قدر مطلق بار آنیون به‌عنوان اندیس کاتیون در نظر گرفته شود. برای نمونه در مثال پیشین:

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، شمار 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). 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. به‌عنوان مثال، ترکیب‌های FeCl_۲ و FeCl_۳ 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.

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

گونه دیگری از کاتیون‌ها و آنیون‌ها وجود دارند که خود از چند اتم تشکیل شده‌اند و به آن‌ها به اصطلاح یون چنداتمی گفته می‌شود. به‌عنوان 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.

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

اسیدهایی مانند کلرو اسید (HClO_۲) که به «و» ختم می‌شوند، به کلریت (⁻ClO_۲) و اسیدهایی مانند کلریک اسید (HClO_۳) که به «یک» ختم می‌شوند، به کلرات (⁻ClO_۳) تبدیل می‌شوند.

در جدول زیر فهرستی از آنیون‌ها و کاتیون‌های چند اتمی پرکاربرد و مشخصات آن‌ها ذکر شده‌است:

یون‌های چنداتمی

کاتیون‌ها			آنیون‌ها
نام	فرمول شیمیایی	ساختار	نام	فرمول شیمیایی	ساختار	نام	فرمول شیمیایی	ساختار
گوانیدین	C(NH 2)+ 3		هیپوکلریت	ClO–		فسفات	PO3− 4
آمونیوم	NH+ 4		کلریت	ClO– 2		منگنات	MnO2− 4
هیدرونیوم	H 3O+		کلرات	ClO– 3		پرمنگنات	MnO− 4
فلورونیوم	H 2F+		پرکلرات	ClO– 4		نیتریت	NO− 2
پیریلیوم	C 5H 5O+		سولفیت	SO2− 3		نیترات	NO− 3
-	-	-	سولفات	SO2− 4		کرومات	CrO2– 4
-	-	-	کربنات	CO2− 3		دی‌کرومات	Cr 2O2– 7
-	-	-	هیدروکسید	OH−		سیانید	CN−

یون‌های کمپلکس

 

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. به‌عنوان 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.

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 شمار 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.

واکنش‌های جابه‌جایی

 

واکنش‌های جابه‌جایی دسته‌ای واکنش‌ها هستند که در آن‌ها یک اتم یا یک یون از یک ترکیب با یک اتم یا یک یون از ترکیبی دیگر جابه‌جا می‌شود. این واکنش به دو صورت امکان‌پذیر است:

• در حالت اول یک اتم یا یون جابه‌جا می‌شود؛ مانند فرمول کلی زیر:

به این واکنش‌ها واکنش جابه‌جایی یگانه گفته می‌شود. نمونه‌ای از جابه‌جایی یگانه، واکنش نقره نیترات محلول با فلز روی است که منجر به آزاد شدن فلز نقره و تولید روی نیترات می‌شود. اهمیت این واکنش از آن جهت است که می‌توان به‌وسیلهٔ آن یک عنصر را به‌وسیلهٔ عنصری دیگر از یک ترکیب خارج و تخلیص کرد.

• در حالت دوم دو عمل جابه‌جایی اتم یا یون صورت می‌گیرد؛ مانند فرمول کلی زیر:

به این واکنش‌ها، واکنش جابه‌جایی دوگانه یا مضاعف 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 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 یک ترکیب پی برد. در مثال گفته‌شده، وجود یون کلرید در ترکیب یونی به‌وسیله نقره نیترات و با تشکیل رسوب نقره کلرید ردیابی می‌شود.

واکنش‌های الکتروشیمیایی

در حالت جامد، یون‌های ترکیب یونی 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 جابه‌جایی یون‌ها فراهم می‌شود و در نتیجه انجام واکنش‌های الکتروشیمیایی با اعمال جریان الکتریکی امکان‌پذیر می‌شود. جابه‌جایی یون بین الکترودهای آند و کاتد در پیل‌های الکتروشیمیایی اساس عملکرد باتری‌های 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.

آبکاری الکترولیتی روشیست که در آن با کاهش کاتیون‌های فلزی موجود در محلول، لایه‌ای از آن به‌عنوان پوشش بر روی سطح فلز دیگر (Me) نشانده می‌شود.	سلول دانز که برای تولید فلز سدیم با به‌کارگیری مذاب سدیم کلرید استفاده می‌شود. این روش نخستین بار توسط شیمیدان آمریکایی جیمز کلوید داونز ابداع شد.	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.

تجزیه

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 جزء 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. 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.

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

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. به‌عنوان مثال، پتاسیم کلرات در اثر حرارت و در حضور کاتالیزور منگنز دی‌اکسید، به پتاسیم کلرید تبدیل شده و گاز اکسیژن آزاد می‌سازد.

عمده واکنش‌های تجزیه از نظر ترمودینامیکی گرماگیر هستند اما معدود واکنش‌هایی مانند تجزیه آمونیوم دی‌کرومات نخست برای آغاز واکنش نیاز به انرژی فعال‌سازی اولیه دارند، اما در ادامه واکنش خودبه‌خود انجام می‌شود که با آزادسازی گرما نیز همراه است.

 

بلور کبالت(II) کلرید آب پوشیده (CoCl_۲·۶H_۲O)

 

کبالت(II) کلرید بی آب (CoCl_۲)

برخی ترکیبات یونی در هنگام رسوب دادن در محلول‌های آبی، شماری 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 شمار مولکول‌های آب به ازای هر واحد بلور نمایش داده می‌شود؛ به‌عنوان نمونه، در هر واحد بلوری مس(II) سولفات آب‌پوشیده به‌طور معمول ۵ مولکول آب وجود دارد؛ در نتیجه به شکل (CuSO_۴·۵H_۲O) 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؛ به‌عنوان مثال، ترکیب مس(II) سولفات در حالت آب‌پوشیده کبود رنگ است اما 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.

 

 

ویژگی‌های فیزیکی و ظاهری

ترکیبات یونی، پیوند قوی یونی دارند، پس معمولاً 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.

این ترکیبات بر خلاف فلزات، شکننده و فاقد چکش خواری هستند. 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.

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 یونیِ 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 به‌عنوان 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 فلزاتِ عناصر اصلی به دلیل این که ساختار لایهٔ ظرفیت پرشده و به ساختار گاز نجیب رسیده، تک الکترونی برای برانگیخته شدن وجود ندارد و در نتیجه این ترکیبات بی‌رنگ دیده می‌شوند.

نمک‌های اسیدی و بازی

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

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

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

با توجه به نظریهٔ اسید–باز برونستد–لوری، یون ⁻CN یک گیرندهٔ پروتون (⁺H) است؛ در نتیجه، محلول NaCN ویژگی 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.

به همین ترتیب، ترکیبی مانند NH_۴Cl با انحلال در آب، تولید یون ⁻Cl و NH+
۴ می‌کند. یون ⁻Cl با آب واکنش نمی‌دهد اما یون NH+
۴ نقش دهنده پروتون (⁺H) را ایفا می‌کند؛ در نتیجه، این ترکیب یک اسید است و به محلول ویژگی اسیدی می‌دهد. ترکیبی چون NaCl نیز پس از انحلال در آب تولید یون‌های ⁺Na و ⁻Cl می‌کند که هیچ‌یک نه گیرنده و نه دهنده پروتون هستند؛ درنتیجه، نمک خنثی محسوب می‌شود.

رسانایی الکتریکی

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 ازدست‌دادن یا گرفتن الکترون، خنثی می‌شوند. این پدیده موجب به وجود آمدن جریانی از یون‌ها در داخل محلول می‌شود که باعث ایجاد رسانایی الکتریکی می‌شود.

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 شمار بیشتری یون ایجاد نماید، الکترولیت قوی‌تری است.

انحلال‌پذیری

همان‌طور که از نام ترکیبات یونی پیدا است، 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.

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 نقطهٔ 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 نیست. به‌عنوان 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.

انحلال‌پذیری ترکیبات یونی به دما وابستگی دارد. این موضوع را می‌توان به این صورت توجیه کرد که اگر گرما به صورت فرآورده یا محصول (گرماده یا گرماگیر بودن فرایند) در واکنش انحلال که واکنشی تعادلی است، در نظر گرفته شود، کاهش یا افزایش دما بنابر اصل لوشاتلیه می‌تواند موجب پیشرفت تعادل به سمت انحلال بیشتر یا بر عکس به سمت کاهش انحلال شود. گرچه مواردی نیز وجود دارد که از این اصل پیروی نمی‌کنند و نشان دهنده این است که حلالیت فرآیندی پیچیده‌است و می‌تواند به عوامل گوناگونی وابسته باشد. برخی ترکیبات مانند KNO_۳ با افزایش دما به مقدار بیشتری در آب حل می‌شوند؛ در نقطهٔ مقابل، ترکیبی مانند Ce_۲(SO_۴)_۳ با افزایش دما به مقدار کمتری در آب حل می‌شود.

 

 

یون‌ها نقشی حیاتی در عملکرد سلولی و اندام‌های بدن دارند. به‌عنوان مثال، پتانسیل عمل در دستگاه 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:

• Ca^۲+: جزئی از استخوان و دندان است و در ترارسانی پیام (در نقش پیغام‌بر ثانویه)، پیام‌رسانی عصبی در یاخته‌های عصبی، انقباض ماهیچه‌ای، انعقاد خون و لقاح نقش داشته و کوفاکتور بسیاری از آنزیم‌هاست. برای کمبود آن هیپوکلسمی را ببینید.
• Zn^۲+: بیشتر در نقش آنتی‌اکسیدان (به‌ویژه در کبد) ظاهر می‌شود. این یون نقش تثبیت‌کننده برای مولکول‌های بزرگی دارد که میل ترکیبی بسیاری با روی دارند؛ به‌ویژه در جایگاه‌های غنی از سیستئین در چین‌ها پروتئینی. روی یکی از اجزاء مهم انگشت روی در برخی پروتئین‌هاست.
• K⁺: نقش اصلی‌اش تنظیم فشار اسمزی به‌ویژه در کلیه‌هاست. این یون نقش مهمی در حفظ پتانسیل غشا دارد. از وظایف دیگر آن، شل‌شدگی ماهیچه‌ها، کاهش فشار خون، ترشح انسولین و غیره است. برای کمبود آن هیپوکالمی و برای افزایش آن هایپرکالمی را ببینید.
• Na⁺: نقش مشابهی با پتاسیم دارد. ایجادکنندهٔ اصلی دیپولاریزاسیون سلولی است و نقش مهمی در حرکت بدن و شناخت دارد. برای کمبود آن هیپوناترمی و برای افزایش آن هایپرناترمی را ببینید.
• Mg^۲+: کوفاکتور بیش از ۳۰۰ واکنش شیمیایی مهم بدن است و برخی واکنش‌های زیست‌پزشکی را تنظیم می‌کند. در ساخت پروتئین، رشد استخوان، تولید انرژی، ضربان طبیعی قلب، تنظیم فشار و قند خون، عملکرد اعصاب و ماهیچه‌ها و برخی اعمال حیاتی دیگر نقش مهمی دارد. این یون همچنین جزئی از ساختار کلروفیل در گیاهان است.
• Mn^۲+: تثبیت‌کننده ساختار پروتئین است و بخش مهمی از ساختمان آنزیم‌ها و پروتئین‌ها محسوب می‌شود. یک نمونهٔ مهم این آنزیم‌ها، سوپراکسید دیسموتاز است. در مغز انسان، منگنز به‌صورت یک پروتئین فلزی، به‌خصوص در ساختار گلوتامین سنتتاز در آستروسیت‌ها مشاهده می‌شود. افزایش بیش از حد آن ممکن است با بروز بیماری‌های تخریبی عصبی چون پارکینسون مرتبط باشد.
• Cl⁻: در تنظیم فشار اسمزی، تعادل یونی بدن و هم‌ایستایی اسید-باز نقش دارد. کلر فراوان‌ترین آنیون بدن است و مسئول بیش از یک‌سوم تونیسیته مایع خارج سلولی است. یون کلر در ساختار کانال یونی دریچه لیگاندی و مجرای یونی وابسته به ولتاژ حاضر است و در انتقال دیگر یون‌ها از خلال غشای سلولی نقش دارد. اختلال در کانال‌های یونی کلریدی در بروز فیبروز سیستیک، پوکی استخوان و صرع دخالت دارد. افزایش فعالیت این کانال‌های کلریدی در پیشرفت گلیوما و رشد مالاریا در گلبول‌های قرمز خون حائز اهمیت است.
• CO۲−
  ۳: نقش مهمی در بافرینگ و حفظ پی‌اچ بدن دارد. در خون، حدود ۸۵٪ دی‌اکسید کربن به کربنات آبی مبدل شده که حمل و نقل آنرا آسان می‌سازد.
• Co^۲+: میزان آن در بدن ۱ تا ۲ میلی‌گرم است و بیشتر در قلب، کبد، کلیه‌ها و طحال (و با مقادیر کمتری در لوزالمعده، مغز و خون) یافت می‌شود. کبالت بخش مهمی از ساختار ویتامین ب۱۲ و یک کوآنزیم حیاتی در جریان میتوز است. کبالت برای ساخته شدن اسیدهای آمینه و برخی پروتئین‌ها و غلاف میلین در رشته‌های عصبی ضروری است و در پیام‌رسانی عصبی هم نقش مهمی دارد.
• PO۳−
  ۴ جزئی از ساختمان آدنوزین تری‌فسفات است که تأمین‌کننده و ذخیره‌کننده انرژی در بدن است. به‌صورت کلسیم فسفات در ساختمان استخوان‌ها حضور دارد.
• Fe^۲+/Fe^۳+: هستهٔ مرکزی هموگلوبین است که حمل‌کننده اکسیژن در بدن است و در ساختار میوگلوبین هم وجود دارد. آهن یکی از اجزای مهم آنزیم‌های تنفس یاخته‌ای و فرایند اکسایش-کاهش در جانواران و گیاهان است. کمبود آهن، شایع‌ترین نوع سوءتغذیه در انسان است و سبب کم‌خونی می‌شود. از طرف دیگر، آهن بالا سبب بروز هموکروماتوز در انسان می‌شود. افزایش آهن که گاهی ناشی از مصرف بیش از حد گوشت است، سرعت رشد تومور را افزایش داده و می‌تواند در بروز برخی سرطان‌ها نقش داشته باشد.
• NO−
  ۳: منبع اصلی نیتروژن در گیاهان برای ساخت پروتئین است. در انسان این یون در بروز مِتهِموگلوبینِـمی نقش دارد.

به‌عنوان مادهٔ اولیه

ترکیبات یونی دامنه گسترده‌ای از مواد با ویژگی‌های متنوع و پیچیده را شامل می‌شوند؛ در نتیجه، کاربردهای گسترده‌ای در تولید دیگر مواد تجاری دارند. به‌عنوان مثال، ترکیبات حاوی یون لیتیوم در تولید باتری‌های یون‌لیتیم کاربرد دارند. ترکیبات حاوی یون فلورید مانند سدیم مونوفلوروفسفات برای جلوگیری از پوسیدگی دندان در خمیر دندان‌ها استفاده می‌شوند. برخی از ترکیبات یونی مانند کلسیم اکسید خود به‌عنوان مادهٔ اولیه در تولید دیگر ترکیبات یونی مانند سدیم هیدروکسید، سدیم کربنات و کلسیم کاربید کاربرد دارند. سیمان‌ها محصولات شیمیایی تجاری هستند که در تولید آن‌ها از مواد اولیه‌ای مانند کلسیم سیلیکات‌ها، آلومینات‌ها و سولفات‌ها استفاده می‌شود.

ترکیبات یونی حاوی دامنه گسترده‌ای از عناصر هستند و اکثر عناصر به گونه‌ای در ترکیبات یونی حضور دارند؛ در نتیجه، از این ترکیبات می‌توان به‌عنوان مادهٔ 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. گاز کلر را می‌توان به صورت تجاری از محلول‌های حاوی سدیم کلرید و منیزیم کلرید به دست آورد. آهن و آلومینیوم از دیگر عناصری هستند که از دیرباز با به‌کارگیری روش‌های الکتروشیمیایی از ترکیبات حاوی آن‌ها جداسازی می‌شوند.

به‌عنوان مادهٔ رنگ‌زا

 

رنگ و جلوهٔ بصری یک از ویژگی‌های منحصر به فرد ترکیبات معدنی از جمله ترکیبات یونی است که از دیرباز توسط بشر شناخته شده‌است. این ویژگی می‌تواند به دلیل وجود یک یون رنگزا یا وجود ناخالصی در ماده یا وجود گونه‌ای 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. به‌طور تجربی مشخص شده‌است که ترکیبات یونی حاوی فلزات واسطه، تمایل بیشتری به ایجاد ترکیبات رنگی متنوع دارند.

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:

• سفید: تیتانیوم دی‌اکسید، سرب کربنات، سرب(II) سولفات، روی اکسید، روی سولفید
• طیف سرخ تا سرخ قهوه‌ای: آهن اکسید، سرنج یا سرب قرمز، رنگدانه‌های کادمیوم
• زرد: آهن اکسید، سرب(II) کرومات، روی کرومات، بیسموت وانادات
• آبی: سنگ لاجورد که خود ترکیبی از چندین ترکیب یونی می‌باشد یا آبی کبالت که رنگدانه‌ای بر پایه اکسید کبالت و آلومینیوم است.

باتری و تولید الکتریسیته

یکی از توانایی‌های منحصربه‌فرد ترکیبات یونی ایجاد محلول الکترولیت در پی 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 به‌کارگیری صفحات فلز روی و مس تولید شد. در این باتری با اکسایش فلز روی و کاهش (احیای) فلز مس، یک جریان الکتریکی تولید می‌شد. امروزه، دامنه گسترده‌ای از باتری‌ها برای کاربردهای ویژه ساخته می‌شوند. برخی مانند باتری‌های یون‌لیتیم یا باتری‌های نیکل–کادمیم، از طریق یک واکنش برگشت‌پذیر، الکتریسته تولید می‌کنند؛ در نتیجه، این باتری‌ها قابل شارژ هستند. در نقطهٔ مقابل، باتری‌های قلیایی بر اساس یک واکنش برگشت‌ناپذیر عمل می‌کنند؛ در نتیجه، یک بار مصرف هستند.

کاربرد خوراکی و دارویی

 

ترکیبات یونی به لحاظ تأثیر بر بدن انسان‌ها دامنه گسترده‌ای از اثرات را دارند. خوردن مقادیر اندکی از ترکیباتی چون KCN، HgO یا AlP می‌تواند بسیار مهلک و مرگ‌آور باشد. در نقطهٔ مقابل، نمک طعام از دیرباز یکی از طعم‌دهنده‌های شناخته‌شده و پرکاربرد در زندگی روزمره بشر بوده‌است. جوش شیرین و بیکینگ پودر که حاوی ترکیبات یونی چون NaHCO_۳ هستند، در پخت نان و شیرینی به‌عنوان عامل ورآورنده کاربرد دارند. در صنایع غذایی مونوسدیم گلوتامات به‌عنوان معطرکننده و تحریک‌کننده، کلسیم فسفات‌ها به‌عنوان ضد کپک و سدیم نیتریت نیز در ساخت فرآورده‌های گوشتی چون سوسیس و کالباس به‌عنوان نگه دارنده کاربرد دارد.

بسیاری دیگر از ترکیبات یونی به‌عنوان مکمل خوراکی به صورت کپسول و قرص برای تأمین ریزمغذی‌های موردنیاز 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، در 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 مادهٔ موثره دارویی و کلرید حاصل می‌شود. عمدهٔ 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 غیره هستند. بیش از ۵۰٪ مولکول‌های دارویی موجود در بازار به‌صورت نمک عرضه می‌شوند. شکل نمک دارو عمدتاً تأثیری بر اثرات دارویی مادهٔ موثره ندارد و تنها باعث افزایش انحلال‌پذیری دارو و بهبود در فرایند دارورسانی می‌شود.

 

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 پایین به صورت مایع هستند. مایع یونی به صورت علمی به صورت زیر تعریف می‌شود:

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

این ترکیبات حلال‌های مفید و در عین حال غیرآلاینده هستند که در واکنش‌ها به کار می‌روند. از جمله این ترکیبات می‌توان به ۱-بوتیل-۳-متیل‌ایمیدازولیوم هگزافلوئوروفسفات اشاره کرد که دمای ذوب آن ۸- درجه سلسیوس است.

مقاله‌ها

وب‌سایت‌ها و منابع برخط