离子键(Ionic bond),又被称为盐键或电价键,指阴离子和阳离子间通过静电作用形成的化学键。它由两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成,无方向性和饱和性。 在形成过程中,带相反电荷的离子之间存在静电作用,当两个带相反电荷的离子靠近时,表现为相互吸引,而电子和电子、 原子核 与原子核之间又存在着静电排斥作用,当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时,便形成离子键。
1916年, 德国 化学家科塞尔(W.Kossel)首次提出离子键的概念。 离子键主要存在于金属与非金属之间形成的 离子化合物 中,例如MgCl 2 ,Na 2 SO 4 , 氢氧化钾 等,少部分存在气态的离子型分子中,如LiF。 但在现实中, 原子 间并不形成“纯”离子键。所有的键都或多或少带有 共价键 的成分,离子键较氢键强,其强度与共价键接近。
历史
1916年,德国化学家科塞尔(W.Kossel)首次提出离子键的概念。他根据稀有气体具有8 电子 稳定结构的事实,解释了NaCl,CaCl 2 ,CaO等化合物的形成,在提出的离子键理论中认为离子键的本质是 阳离子 和 阴离子 间的相互作用。
形成
离子键理论认为,易失电子的金属原子,将电子传给易得电子的非金属原子,形成具有稳定结构的正离子和负离子,两者通过 静电 引力 结合成离子型分子。这种由正、负离子间静电引力结合而形成的 化学键 称为离子键。将正、负离子看作是球形对称,它们所带的电荷分别为 q 1 和 q 2 ,两者之间距离为r,k是比例系数,则按 库仑定律 它们之间的 静电 引力 为:
在具体反应中,离子键易在活泼金属元素和活泼 非金属元素 之间形成。例如, 钠 在 氯气 中的燃烧反应为 ,在这个反应过程中:
钠失去 电子 生成钠离子
氯得到电子生成氯离子
此外,在NaCl的 势能 曲线中可以看出,随着气态的Na + 和Cl - 之间的距离减小,体系的吸引势能减小,而排斥势能增大,因此讨论离子键的形成时,要考虑总的势能的变化。随着Na + 和Cl - 之间的距离接近238pm,这时它们的吸引作用和排斥作用达到平衡状态,形成的气态分子体系的能量最低,意味着Na + 和Cl - 之间形成稳定的离子键。
需要说明的是, 原子 失去 电子 成为离子,失去电子的次序并不是电子填充原子次序的逆反,而是取决于整个离子能量的高低,优先失去高能级的电子。原子失去电子的次序可用(n+0.4l)来估算,即np先于ns,ns先于(n-1)d。如Fe[Ar]3d 6 4s 2 ,变成Fe 2+ ,先失去4s电子而不是3d电子。这是由于原子失去电子后,电子数目减少,排斥作用相对减少,核的吸引能起主要支配作用,因此, 主量子数 作用显著,使4s 能级 高于3d能级,故先失去4s电子。
特征
离子键无方向性和饱和性,在结构上表现为在离子周围力求有较多的带相反电荷的离子配位。
无方向性
离子键无方向性。离子电荷分布可近似认为是球形对称,因此可在空间各个方向等同地吸引带相反电荷的离子,因此决定了离子键的无方向性。从离子键的本质上讲,离子键在形成过程中,正、 阴离子 通过电荷之间的相互作用结合在一起,离子键的本质其实就是 静电 作用。在静电作用中,离子的电荷分布呈球形对称,可以在空间各个方向上等同地与带相反电荷的离子互相吸引,即正、负离子之间的静电作用没有空间选择性。
无饱和性
离子键无饱和性是指在 离子晶体 中,只要空间位置许可,每个离子总是尽可能多地吸引带相反电荷的离子,使体系处于尽量低的能量状态。例如,NaCl晶体中,1个Na + 不仅能同时吸引6个最近的Cl - ,且较远的Cl - 只要作用力能达到也能被吸引。同样地,每个Cl - 周围等距离地排列着6个Na + ,不仅成键的Na + 和Cl - 存在静电作用,互不接触的离子之间也存在着弱的相互作用,没有办法界定哪一对Na + 和Cl - 组成1个NaCl分子,因此分子的概念在 离子晶体 中是不明确的。从更大的范围来看,Na + 和Cl - 之间这种六配位的排列方式朝各个方向一再地重复下去,那么整个 晶体 可以看成一个巨型分子。于是,NaCl只是表示整个 氯化钠 晶体中的Na + 和Cl - 的数目之比为1:1,并不存在单个的NaCl分子。因此,NaCl 化学式 仅表示氯化钠晶体中这两种元素 原子 之间的比例为1:1。
强度
影响离子键稳定性(强度)的主要因素是离子的半径和电荷。离子键的本质是阴、 阳离子 间的 静电 作用,离子所带的电荷越多,与带相反电荷的离子之间的静电作用越强,形成的离子键的强度越牢固, 离子化合物 越稳定;离子键的稳定性除了与离子所带的电荷有关,还与正、 阴离子 间的距离有关。离子的核间距离等于阴、阳离子的半径之和。离子的半径越小,作用力越大,键越强。 此外,从体系能量的角度进一步讨论离子键的稳定性。如在形成离子键的过程中,往往伴随着体系能量的变化。体系释放的能量越多,表示正、负离子之间的结合越牢固,即离子键越稳定。
晶格能
离子键的强度一般用晶格能来度量。在 热力学 标准状态下,1 摩尔 (mol)正负离子从相互分离的气态结合成 离子化合物 时所释放的能量,即时晶格能。以NaCl为例:Na + (气)+Cl - (气)→NaCl( 晶体 )+U。其中,U就是晶格能。
例如,NaCl 晶体结构 中,每一离子周围有6个电荷相反、距离为R的离子,有12个电荷相同、距离为 的离子,有8个电荷相反、距离为 的离子......这样,它和其他离子的作用能u为:
式中,A为 级数 的和,称为 马德隆常数 。对于 氯化钠 型结构,A=1.748。
如果对一 摩尔 晶体 中每个离子进行这样的考虑,可以得到2N个u,但重复了一次,所以晶格能为:
,式中,N为阿佛伽德罗 常数 。
此外, 晶格能 的 实验数据 直接测定显然是有困难的,但可以使用玻恩-哈伯循环来确定。以NaCl为例来说明这个问题:
其中,“+”表示放热“-”表示吸热。σ为 升华热 ,对 钠 为26.91 kcal/mol;I为金属 电离能 ,对钠为117.7 kcal/ 摩尔 ; E为非金属 原子 的 电子 亲和能,氯的亲和能为87.4 kcal/mol;D为非金属分子 离解 为原子的解离能,氯的解离能为56.8 kcal/mol;Q为反应热,反应热为97.7 kcal/mol从上面的玻恩-哈伯循环可知:
代入NaCl的 晶体 数据得U=183.31(kcal/ 摩尔 )。
键能
在298.15K和标准态下,将1mol气态 离子化合物 离子键断开,使其分解成气态中性 原子 (或原子团)时所需要的能量,称为该离子键的键能,用符号E表示。通常离子键的强度在170~1500kJ·mol -1 。例如:NaCl(g)=Na(g)+Cl(g),Δ r H m ㊀ =398 kJ·mol -1 ,即键能E=398kJ·mol -1 。
键的离子性
离子键是极性键,键的离子性与成键的两个元素的 电负性 有关。成键的两个元素的电负性差值越大,元素原子间越容易发生 电子转移 ,键的离子性越大,当差值足够大时,可认为“共用”的电子成为电负性较大原子的“所有物”。 从 电子云 密度在晶胞中的分布情况出发,可以对 晶体 中离子键进行较为定量的研究。 例如在 离子化合物 氯化钠 (NaCl)的沿垂直(100)方向的电子云密度投影中,Na + 和Cl - 之间的电子云交叠是较少的,钠和氯确实以正 阴离子 方式存在,它们之间的 化学键 即是离子键。但精确测定表明,即使在KBr这样的晶体中,K + 和Br - 之间也有小部分电子云交叠,即其化学键中除了离子键也有 共价键 成分。 再例如典型的离子型化合物,如CsF,其中Cs + 与F - 之间也不是纯粹的 静电 作用,仍有部分 原子轨道 重叠 。Cs + 与F - 间有8%的共价性,有92%的离子性。因此在常用的判断中,当χ A -χ B =1.7(χ A -χ B, χ为 电负性 ,A、B为成键 原子 )时,键的离子性约为50%,即可认为两元素电负性差值大于1.7则形成离子型化合物。 通过这种方法判断离子键和 共价键 的分界也只是一种近似,如 和氢的Δχ=1.78,但H-F键是共价键。
离子化合物性质
由离子键形成的化合物称为离子化合物,也称为 离子晶体 ,绝大部分的盐类、碱类和部分金属 氧化物 都是离子化合物,例如MgCl 2 ,Na 2 SO 4 , 氢氧化钾 ,MgO等都是离子化合物。 这类材料的共同特点如下:
1)离子键的结合力很大,因此通过离子键结合的材料强度高、硬度高、热膨胀系数小、熔点高、脆性大。常温下以固态存在,通常易溶于水,难溶于有机 溶剂 ;在 水溶液 或熔融状态下能够导电。
2)离子难以移动输送电荷,故此类材料都是 绝缘体 。
3)离子的 散逸层 电子 被牢固束缚,难以被光激发,所以离子键结合的材料一般不能吸收 可见光 ,是无色透明的,如Al₂O₃、TiO₂等化合物均为离子键结合的典型代表。
与共价键的比较
离子键是 电负性 较小的金属 原子 (如Na、K等)与电负性较大的非金属原子(如FCI等)以 静电 引力 形成的 化学键 ,特点是无方向性和饱和性。共价键是电负性相差不大的元素原子,以共用 电子对 ( 原子轨道 发生 重叠 )而形成的化学键。共价键有方向性和饱和性。共用电子对可用“—”短线表示,称为 结构式 ,例如N≡N等。有的分子中原子间既有离子键又有共价键。如 过氧化物 Na 2 O 2 ,结构式为Na—O—O—Na,Na—O间为离子键,而O—O间为 共价键 。
离子的极化
离子的极化是指离子在 电场 中产生诱导偶极的现象。当阴、 阳离子 相互接近时使对方的 电子云 结构变化而增加内部 极性 的作用称为极化作用,离子被极化的结果称为“变形性”或“可极化性”。离子都有极化作用和变形性。一般,阳离子的半径比 阴离子 小,电场强,所以阳离子的极化作用强,而阴离子表现变形性大。