Ионная связь формируется в результате электростатического притяжения между положительно и отрицательно заряженными ионами. Наиболее характерным примером является взаимодействие катиона щелочного металла и аниона галогена, как в NaCl. При этом атом с низкой электроотрицательностью отдает один или несколько электронов, превращаясь в катион, а атом с высокой электроотрицательностью принимает их, образуя анион. В основе связи лежит кулоновское взаимодействие, которое носит направленно-неспецифический характер: энергия взаимодействия зависит главным образом от расстояния между центрами ионов, а не от их относительной ориентации.
Энергия ионной связи определяется балансом между силами притяжения и отталкивания. Электростатическое притяжение между разноимёнными ионами стремится минимизировать энергию системы, тогда как перекрывание электронных облаков при сближении вызывает резкое возрастание энергии за счёт принципа Паули. Оптимальное равновесное расстояние между ионами соответствует минимуму потенциальной энергии, что определяет устойчивость кристаллической решётки.
Ключевой характеристикой устойчивости ионных соединений является энергия решётки — энергия, необходимая для разложения кристалла на отдельные ионы в газовой фазе. Чем меньше радиусы ионов и выше их заряды, тем больше энергия решётки. Например, у NaCl она значительно ниже, чем у MgO, поскольку катион Mg²⁺ и анион O²⁻ обладают большими зарядами и меньшими радиусами, что усиливает электростатическое взаимодействие.
Ионные кристаллы имеют чётко упорядоченную структуру, при которой каждый катион окружён определённым числом анионов и наоборот. Этот параметр называют координационным числом. В NaCl катион натрия окружён шестью анионами хлора (координационное число 6), что соответствует кубической гранецентрированной решётке. В CsCl реализуется другая структура, где координационное число равно 8. В ZnS (сфалерит) координационное число 4, что соответствует тетраэдрической упаковке.
Выбор конкретной структуры определяется главным образом отношением радиусов катиона и аниона. При увеличении радиуса катиона его способность окружаться большим числом анионов возрастает, что приводит к изменению координационного числа.
Ионные кристаллы обладают характерным набором свойств, непосредственно вытекающих из их строения:
Реальные ионные кристаллы содержат отклонения от идеальной структуры, называемые дефектами. Основные типы дефектов:
Дефекты оказывают сильное влияние на электрические, механические и оптические свойства материалов, определяя их практическое применение.
Стабильность ионных кристаллов объясняется не только энергией решётки, но и полным энергетическим балансом, включающим ионизационный потенциал, энергию сродства к электрону, энергию сублимации и др. Эти параметры суммарно определяют возможность образования конкретного ионного соединения.
Динамика процессов в ионных кристаллах связана с подвижностью дефектов. При повышении температуры ионы или вакансии приобретают возможность перемещаться по решётке, что приводит к ионной проводимости. Такой эффект особенно важен для твердых электролитов, применяемых в ионной электронике и современных аккумуляторах.
Ионные соединения играют ключевую роль в технологии и науке о материалах. NaCl используется как базовый материал и стандарт, MgO — как огнеупор, LiF и CaF₂ — в оптике благодаря прозрачности в широком спектральном диапазоне. В последние десятилетия особый интерес вызывают материалы с высокой ионной проводимостью, такие как ZrO₂, стабилизированный иттрием, или перовскиты на основе оксидов, применяемые в топливных элементах.