普通化學/離子鍵

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單元: 物質 · 原子結構 · 鍵 · 反應 · 溶液 · 物質的相 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 方程式 · 還原電位 · 元素及其性質

什麼是離子？

離子是帶電的原子或分子。陽離子帶正電，陰離子帶負電。當原子獲得或失去電子時，就會形成離子。由於電子帶負電，失去一個或多個電子的原子會帶正電；獲得一個或多個電子的原子會帶負電。

離子鍵的描述

離子鍵是帶正電和帶負電的離子之間的吸引力。這些帶相反電荷的離子相互吸引，形成離子網路（或晶格）。靜電解釋了為什麼會出現這種情況：異性相吸，同性相斥。當許多離子相互吸引時，它們會形成大而有序的晶格，其中每個離子都被相反電荷的離子包圍。通常，當金屬與非金屬反應時，電子從金屬轉移到非金屬（這是因為金屬傾向於具有相對較低的電離能，而非金屬傾向於具有較高的電子親和能）。金屬形成帶正電荷的離子，而非金屬形成帶負電荷的離子。離子化合物的最小單元是化學式單元，但這個單元僅僅反映了導致整個晶體中性化的離子比例，例如 NaCl 或 MgCl₂。在結構中無法區分單個 NaCl 或 MgCl₂ 分子。

然而，堆疊可能包含像硝酸銨中的 NH₄⁺ 和 NO₃^- 這樣的分子離子。在這樣的結構中，離子是帶電荷的分子而不是帶電荷的原子。

離子鍵也可以稱為電價鍵。

特徵

離子化合物示例：氯化鈉 ( $NaCl$ )，硝酸鉀 ( $KNO_{3}$ ).

離子鍵合物質通常具有以下特徵。

高熔點（在室溫下為固體）
堅硬但易碎（會碎裂）
許多溶解在水中
溶解或熔化時可導電

一般來說，保持晶格結合在一起的力取決於它所包含的離子的電荷乘積。例如，將 NaCl (+1)*(-1) 與 MgO (+2)*(-2) 進行比較表明，氧化鎂比氯化鈉結合得更牢固，大約是它的 4 倍。這就是為什麼氯化鈉的熔點比氧化鎂低得多，也比氧化鎂更容易溶解在水這樣的溶劑中。

溶解度

大多數離子化合物可溶於極性溶劑。極性溶劑只是那些分子具有正負極的溶劑。最常見的極性溶劑例子是水 (H₂O)。

它們可溶於極性溶劑的原因是，正離子被溶劑的負極吸引，負離子被溶劑的正極吸引。因此，離子化合物在溶劑中解離或分離成其組成離子。

例如，H₂O 由相對更正的氫原子和相對更負的氧原子組成。當像NaCl這樣的離子化合物被新增到水中時，正離子會被更負的氧原子吸引，負離子會被更正的氫原子吸引。

這是許多離子化合物非常有用的性質，但並非全部，因為有一些例外，某些化合物無法溶解在某些極性溶劑中。

傳導

為了使物質導電，必須有一些電荷載體。例如，在金屬中，傳輸電荷的是圍繞正離子的移動電子。

然而，在固態下，離子化合物缺乏任何能夠攜帶電荷的移動粒子，因為保持它們固定在位的靜電力非常強，離子無法在晶格內移動。當化合物溶解或熔化時，這種情況會發生變化。當溶解時，離子會解離，並能夠四處移動。熔融離子化合物也是如此。這就是為什麼熔融和溶解的離子化合物可以導電，而固態離子化合物不能導電。

形成

當金屬和非金屬發生化學反應時，就會形成離子鍵。由於金屬的電離能較低，失去電子形成完整的價電子層後，不會變得非常不穩定，並帶正電。而由於非金屬的電子親和力較大，獲得電子形成完整的價電子層後，會變得非常穩定，並帶負電。當金屬和非金屬反應時，金屬會失去電子，並將電子轉移給非金屬，非金屬則會獲得電子。整個過程 - 少量的損失加上大量的獲得 - 導致能量的淨降低。因此，會形成離子，這些離子會立即相互吸引，從而形成離子鍵。

例如，在鈉（Na）和氯（Cl）的反應中，每個Cl原子從Na原子中獲得一個電子。因此，每個Na變成Na⁺陽離子，而每個Cl原子變成Cl^-陰離子。由於它們帶相反的電荷，它們相互吸引，並與數百萬個其他離子結合形成離子晶格。這種大規模集體堆疊產生的晶格能進一步穩定了新化合物。晶格中的化學式（正負離子的比例）是**NaCl**，即正負電荷數相等，從而保證了中性。

電荷必須保持平衡，否則大部分電荷之間的排斥力將變得難以克服。在氯化鎂的情況下，鎂原子會釋放兩個電子以變得穩定。請注意，它位於第二族，因此有兩個價電子。氯原子只能接受一個電子，因此每個鎂離子必須有兩個氯離子。因此，氯化鎂的化學式為**MgCl₂**。如果形成氧化鎂，其化學式將為**MgO**，因為氧可以接受鎂的兩個電子。

讀者練習

試著找出氮化鎂的化學式。使用元素週期表來幫助你。

還需要注意的是，一些原子可以形成多種離子。這通常發生在過渡金屬中。例如，鐵（Fe）可以變成Fe²⁺（稱為亞鐵），II）或 - 使用舊的名稱 - 亞鐵。Fe也可以變成Fe³⁺（稱為鐵），III）或 - 有時仍然 - ferric。

常見離子

離子鍵通常發生在金屬和非金屬之間的反應中，但也存在一些稱為多原子離子的分子，它們也會發生離子鍵。在這些多原子離子中，可能存在共價鍵（或極性鍵），但作為一個整體，它們會發生離子鍵。存在無數的多原子離子，但你應該熟悉最常見的那些。建議你記住這些離子。

名稱	化學式	名稱	化學式
銨	NH₄⁺	水合氫離子	H₃O⁺
過氧化物	O₂^2-	氫氧根	OH^-
亞硝酸根	NO₂^-	硝酸根	NO₃^-
亞硫酸根	SO₃^2-	硫酸根	SO₄^2-
亞硫酸氫根	HSO₃^-	磷酸根	PO₄^3-
次氯酸根	ClO^-	亞氯酸根	ClO₂^-
氯酸根	ClO₃^-	高氯酸根	ClO₄^-
碳酸根	CO₃^2-	碳酸氫根	HCO₃^-