9.3:
离子键和电子转移
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
离子键是由电子从金属转移到 非金属而形成的。与电子被共享的共价键相比，在离子键中，金属倾向于丢失电子，而非金属 则倾向于接受电子 但这是为什么呢？一个原子的最稳定的电子构型 是具有一个全八位态。达到这种状态 同时降低势能 是键形成的主要驱动力。但是如何预测电子何时 会转移而不是共享呢？对于这个问题，可以检查一下原子的电离能 和电子亲和力。在周期表上，s 区的金属元素 具有较低的电离能。这有助于在同时形成阳离子时，更容易失去电子达到八位态。相反地，来自 p 区的非金属元素，除了惰性气体，具有很高的电子亲和力，并且很容易接受电子形成阴离子。带相反电荷的阳离子和阴离子会发生 强烈的静电相互作用，相互吸引 而形成离子键。由于离子间强烈的静电吸引，离子化合物通常会形成具有高熔点的 坚硬而清晰的晶体结构。以氟化锂为例，一种由锂和氟 组成的离子化合物。当锂失去一个电子而变成一个 呈二位态的锂阳离子时，电子 被氟吸收，形成一个具有八位态的阴离子。根据库仑定律，这两个 带电粒子相互吸引，形成 一种中性化合物氟化锂。路易斯模型可以用来描述和预测 离子化合物的化学式。路易斯符号在右上角显示电荷，并用括号内的符号表示阴离子 和阳离子。以氯化锶为例，它是一种常用的盐，可以在烟花中获得鲜艳的红色。锶的路易斯符号有两个未成对电子，而氯的路易斯符号有一个未成对电子。锶必须失去两个电子，而氯必须获得一个电子才能到达八位态。因此，一个锶离子会与两个氯离子 以 1:2 的比例结合。
9.3:
离子键和电子转移
离子是带有电荷的原子或分子。当中性原子从其化合价壳中失去一个或多个电子时，会形成阳离子（正离子），而当中性原子在其化合价壳中获得一个或多个电子时，会形成阴离子（负离子）。由离子组成的化合物称为离子化合物（或盐），其组成离子通过离子键结合在一起：带相反电荷的阳离子和阴离子之间的静电吸引力。
离子化合物的性质
离子化合物的性质为离子键的性质提供了一些启示。
-
离子固体表现出晶体结构，并且倾向于是刚性和脆性的。它们也往往具有较高的熔点和沸点，这表明离子键非常牢固。
出于同样的原因，离子固体也是电的不良导体＆mdash;离子键的强度会阻止离子在固态中自由移动。
但是，大多数离子型固体很容易溶于水。离子化合物一旦溶解或熔化，便是电和热的极好导体，因为离子可以自由移动。
离子化合物的形成
许多金属元素的电离势较低，并且容易失去电子。这些元素位于周期表中某个周期的左侧或底部附近。非金属原子具有相对较高的电子亲和力，因此很容易获得由金属原子损失的电子，从而填充了它们的化合价壳。非金属元素位于元素周期表的右上角。
由于所有物质必须是电中性的，因此离子化合物阳离子上的正电荷总数必须等于其阴离子上的负电荷总数。离子化合物的分子式表示给出相同数量的正负电荷所需的最简单的离子数量比。
离子化合物形成规则排列的三维结构
但是，重要的是要注意，离子化合物的化学式并不代表其离子的物理排列。提到氯化钠（NaCl）“分子”是不正确的。因为在任何特定的钠离子和氯离子对之间本身没有单个离子键。离子之间的吸引力是各向同性的-各个方向都一样意味着任何特定的离子都被附近所有带相反电荷的离子均吸引。这导致离子将它们自己排列成紧密结合的三维晶格结构。例如，氯化钠由相等数目的Na + 阳离子和Cl n 阴离子组成的规则排列组成。 Na + 和Cl n 离子之间的强静电吸引力使它们在固体NaCl中紧密结合在一起。将一摩尔固体NaCl分解成单独的气态Na + 和Cl 离子需要769 kJ的能量。
阳离子的电子结构
形成阳离子时，主族元素的原子趋于失去其所有价电子，因此假定其在周期表中位于其之前的稀有气体的电子结构。
- 对于第1组（碱金属）和第2组（碱土金属），组数等于价壳电子的数目，因此等于这些元素的原子所形成的阳离子的电荷。价壳电子被去除。
- 例如，钙是2族元素，其中性原子具有20个电子，基态电子构型为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 。当Ca原子失去两个价电子时，结果是阳离子带有18个电子，2 +电荷和1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 。因此，Ca 2 + 离子与稀有气体Ar等电子。
- 对于第13至17组，组数比价电子数高10个（这说明在第四和更大周期中元素的原子中完整的 d 子壳的可能性）。因此，由所有价电子的损失形成的阳离子的电荷等于基团数减去10。例如，铝（第13组）形成3+离子（Al 3 + ）。
例外
- 预期行为的例外情况涉及到组底部的元素。
- 除了预期离子Tl 3 + ，Sn 4 + ，Pb 4 + 和Bi 5+ ，这些原子会部分丢失＆rsquo;价壳电子还可导致Tl + ，Sn 2 + ，Pb 2 + 和Bi 3+ 离子。这些1 +，2 +和3+阳离子的形成归因于惰性对效应，这反映了基团重元素原子的价 s -电子对相对较低的能量13、14和15。
- 汞（第12组）还表现出出乎意料的行为：它形成双原子离子Hg 2 2 + （由两个汞原子形成的离子，带有一个Hg -Hg键），以及预期的单原子离子Hg 2 + （仅由一个汞原子形成）。
- 过渡金属元素和内部过渡金属元素的行为与主要族元素不同。大多数过渡金属阳离子具有2+或3+电荷，这些电荷首先是由于其最外面的 s 电子损失而引起的，有时随后是一或两个 d 的损失来自最接近外壳的电子。 尽管过渡元素的d轨道是按照构造原理的，但在建立电子构型时最后一个要填充，但最外层的电子在这些原子电离时最先丢失。当内部过渡金属形成离子时，它们最外面的s电子和d或f电子的损失通常会带3+电荷。