Wiązanie jonowe

Wiązanie utworzone pomiędzy atomami znacznie różniącymi się elektroujemnością np. pomiędzy metalami alkalicznymi metalami ziem alkalicznych a fluorowcami ma znaczny charakter jonowy. Przykładowo w cząsteczce LiF obserwuje się podwyższoną gęstość elektronową w pobliży atomu F a obniżoną w okolicy litu. Najprostszym modelem opisu tego typu związków jest model sferycznych jonów. Model ten zakłada żę:

Wychodząc z takiego modelu daje się znaleźć zależność energii oddziaływania jonów od odległości R między ich środkami i wyznaczyć krzywą energii potencjalnej układu. Jeżeli ładunki jonów dodatniego i ujemnego wynoszą +Z i -Z to zgodnie z prawem Coulomba energia elektrostatycznego oddziaływania jest równa:
-Z1Z2e2/r
a dla jonów typu M+ i X- ( +Z=-Z=1) równanie to ma postać:
-e2/r
Zależność energii odpychania od odległości daje się przybliżyć wyrażeniem +Aexp(-R/d) gdzie A i d są współczynnikami wyznaczanymi eksperymentalnie, przy czym A ma wymiar energii a d odległości. Biorąc to pod uwagę energię oddziaływania jonów wyrazimy przez:
W= -Z1Z2e2/r + Aexp(-R/d)
Model jonów sferycznych jest przybliżeniem co widać podczas obliczania na jego podstawie momentów dipolowych cząsteczki związku jonowego. Wartości eksperymentalne znacznie różnią się od obliczonych co wyjaśnia się tym że przeniesienie ładunku od metalu na halogen nie jest pełne. Traktując to niepełne przeniesienie na gruncie mechaniki klasycznej można przyjąć, że jony polaryzują się wzajemnie. Jest to podstawą tzw. modelu cząsteczki polaryzujących się jonów. W takiej cząsteczce każdy z jonów pod wpływem pola elektrycznego drugiego ulega polaryzacji. Przez to w każdym jonie indukuje się dipol, którego moment zależy od polaryzowalności a.Induowane momenty dipolowe mają ten sam kierunek przeciwny do kierunku trwałego momentu dipolowego równego iloczynowi odległości równowagowej i ładunku. W związku z tym trwały moment dipolowy cząsteczki ma postać:
m=mtr-(m1 + m2) = e.re - (m1 + m2) = e.re(1 - (m1 + m2)/e.re)
i jest mniejszy od iloczynu e.re co jest zgodne z doświadczeniem. Momenty dipolowe anionu i kationu możnma wyrazić poprzez polaryzowalności otrzymując:

Obliczone z tego wzoru momenty dipolowe cząsteczek pozostają w dobrej zgodności z danymi doświadczalnymi.
Funkcja energii potencjalnej dla cząsteczki jonowej uwzględniająca polaryzowalność ma postać:

Pierwszy człon tej zależności odzwierciedla oddziaływanie ładunek - ładunek dwóch jonów. Drugi i trzeci oddają oddziaływanie jonów z indukowanymi dipolami i tych dipoli między sobą. Oddziaływania van der Walsa między jonami określa człon czwarty w którym C oznacza stałą Londona. Ostatni człon oznacza energię odpychania.

Rozpatrując wiązanie jonowe na gruncie teorii orbitali molekularnych można jego polarność wyrazić poprzez współczynniki stawiane przy atomowych funkcjach falowych w wyrażeniu na orbital molekularny:
Y=c1f1 + c2f2
Ponieważ współczynniki c1 i c2 znacznie się od siebie różnią tj. c1 ma wartość bliską zeru to gęstość elektronowa w takiej cząsteczce nie będzie równomiernie rozłożona pomiędzy jądrami. Będzie ona zlokalizowana na jednym z atomów i wiążący orbital molekularny będzie praktycznie orbitalem atomowym anionu.

Ponieważ w związkach jonowych mamy do czynienia z oddziaływaniami elektrostatycznymi pomiędzy jonami to brak jest kierunkowości tych oddziaływań a ponad to wygodne jest aby każdy jon był otoczony jak największą ilością jonów przeciwnego znaku. Z tego powodu liczba koordynacji w związkach jonowych nie zależy od konfiguracji elektronowej pierwiastka a od rozmiaru jonu. Związki jonowe występują w postaci krystalicznej. Energia sieci krystalicznej opisywana jest wzorem:

 gdzie Na oznacza liczbę Avogadro, a - stałą Madelunga. Wzór ten przekształca się zgodnie z twierdzeniem podanym przez Kapustinskiego, zgodnie z którym stała Madelunga zależy od liczby jonów we wzorze związku  (stosunek stałej Madelunga do sumy liczby jonów jest wielkością stałą). Stosując tą zależność i podstawiając za d wartość równą 0,0345 otrzymuje się wzór: