結構生物化學/化學鍵/離子相互作用

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離子鍵是一種特殊的化學鍵，形成於“金屬”和“非金屬”之間。“金屬”參與離子鍵通常是鹼金屬和鹼土金屬——也稱為元素週期表的前兩列——以及一些過渡金屬。參與離子鍵的非金屬通常是鹵素。

形成化學鍵的目標是獲得八隅體。“八隅體”是指一個元素具有八個電子。另一種表達這種現象的方式是說每個元素都希望擁有一個惰性氣體的電子構型。對於非金屬，目標是獲得同一週期的惰性氣體的電子構型。對於金屬，目標是獲得直接位於其前一週期惰性氣體的電子構型。例如，氯希望擁有氬的電子構型，而鈉希望擁有氖的電子構型。離子鍵有助於實現八隅體，因為金屬實際上將它的價電子轉移到非金屬。透過這種方式，金屬和非金屬都實現了惰性氣體電子構型。

然而，純的離子鍵並不存在。每個離子鍵都存在一定程度的共價鍵特徵。一般來說，金屬和非金屬之間的電負性差異越大，鍵的離子性越強，因此，鍵的共價性越弱。電負性是在另一個原子存在時吸引電子密度的能力。電負性越大的原子，其吸引電子密度的能力越強。

靜電相互作用也被稱為電荷-電荷相互作用和離子相互作用。當存在緊密排列的帶相反電荷的離子時，就會出現靜電吸引。靜電排斥存在於帶相同電荷的不同離子之間。

庫侖定律

兩個點電荷之間的力可以透過庫侖定律計算得出，

F_1on2 = F_2on1 = kq₁q₂/r²

換句話說，鍵能與兩個原子的電荷成正比，與兩個原子之間的距離平方成反比。F 的單位為N（牛頓），r 是兩個點電荷中心之間的距離，以米為單位，q₁ 和 q₂ 分別是每個原子的電荷（以 C，庫侖為單位）。k 是常數，約等於 $9.00x10^{9}$ N•m²•C⁻²。如果力為負（F < 0），則表示存在吸引力，因為只有當 q₁ 和 q₂ 的符號不同或相反時，F 才能小於零，這意味著這兩個原子的電荷符號相反。換句話說，如果力為正（F > 0），則意味著兩個帶電原子相互排斥，因為它們具有相同的電荷符號（都是正電荷或負電荷）。

離子鍵能

兩個點電荷之間的離子鍵能可以使用電勢能公式計算得出，

U_ele= Kq₁q₂/r²

換句話說，鍵能與兩個原子的電荷成正比，與兩個帶電原子之間的距離（微觀水平上的鍵長）成反比。U_ele 的單位為J（焦耳），r 是離子中心之間的距離，以奈米為單位，q₁ 和 q₂ 是離子電荷的數值。K 是常數，約等於 $2.31x10$⁻¹⁹ J•nm。它也等於 kQ² x 10⁻⁹（轉換為奈米，nm）或 Q²/4$\pi \epsilon _{0}$ x 10⁻⁹，其中 k 約等於 $9.00x10^{9}$ Nm²C⁻²，而 Q 等於質子的電荷，$1.60x10$⁻¹⁹C；$\epsilon _{0}$ 約等於 $8.85x10$⁻¹² C²N⁻¹•m⁻² 或 F•m⁻¹，表示自由空間的介電常數。

晶格能

晶格能（ΔH⁰_lattice）是離子之間相互作用釋放的能量。這種能量的正號表示需要能量來使離子形成固體。另一方面，能量的負號表示需要能量來將離子固體分離成氣態離子。此外，離子相互作用可以根據晶格能來解釋，因為能量的定性數量表明瞭離子的硬度、溶解度和熔點。可以根據離子尺寸和離子變化的影響來預測晶格能。當人們沿著元素週期表向下移動時，離子半徑會增加。隨著半徑增加，正電荷原子和負電荷原子之間的靜電能會降低。結果，晶格能會降低。此外，離子電荷也可以決定晶格能。使帶更大電荷的離子靠近在一起所需的能量比形成帶更小電荷的離子所需的能量更多。