2-2 離子鍵
班級： 座號： 姓名：一、離子鍵的形成 (一) 形成： 1. 原子結合時為形成穩定的八隅體電子結構，發生「電子轉移」，產生帶正電荷的陽離子和 帶負電荷的陰離子；陰、陽離子藉著庫侖靜電力相互吸引而結合。此種藉由陰、陽離子間 的庫侖靜電引力所形成的化學鍵，稱為離子鍵。 2. 離子鍵的形成：通常是由金屬元素失去電子成為陽離子，非金屬元素得到電子成為陰離子， 陰、陽離子間相互吸引的庫侖靜電力即為離子鍵。 3. 離子鍵不具方向性：在離子晶體裡，陽離子受到陰離子的吸引力來自四面八方，並非來自 某一特定方向，因此我們稱離子鍵的作用力不具方向性。 4. 除了金屬原子與非金屬原子形成離子鍵之外，陰離子原子團與陽離子原子團也可形成離子 鍵，如 NH4 ＋ 、SO42 － 、CO32 － 。 5. 離子鍵鍵能約為 150～400 kJ/mol。 6. 陰、陽離子藉由離子鍵，構成離子化合物。以下以氯化鈉、氧化鎂為例。 ※ 兩個電荷間的作用力，稱為庫侖靜電力。 (二) 氯化鈉： 1. 現象：置鈉於氯氣中，會產生劇烈的燃燒反應，形成氯化鈉，即食鹽。 2Na(s)＋Cl2(g) → 2NaCl(s) 2. 鍵結： 堆積成晶體 實驗式為 NaCl ▲形成陽、陰離子（符合八隅體法則） ▲路易斯結構式 (三) 氧化鎂： 1. 現象：鎂在氧氣中燃燒，產生氧化鎂，如右圖。 2Mg(s) ＋ O2(g) → 2MgO(s) 2. 鍵結： 堆積成晶體 實驗式為 MgO ▲形成陽、陰離子（符合八隅體法則） ▲路易斯結構式 Na＋(g)＋Cl － (g) → NaCl(s)，H＝－786 kJ（放熱少）
(四) 以位能觀點，簡單說明離子鍵的形成 1. 根據庫侖定律，電量為e的兩個相反電 荷由無窮遠處逐漸靠近至距離為r 時， 其電位能降低（U = −𝑒𝑟2）。 2. 但當二個離子相當靠近時，其外層電子 占據相同空間產生排斥力，而有排斥位 能的產生。 3. 但當此兩種電位能的總和（斥力位能＋ 引力位能）達最低時，穩定的能量，稱 為鍵能，此時即形成離子鍵；距離r0 即 是形成離子鍵的平衡距離，稱為鍵長。 (五) 形成離子晶體時的能量變化： 1. 反應熱：由陰、陽離子藉由離子鍵結合成離子晶體的反應，必為放熱反應。 2. 因素：離子半徑愈小（則離子鍵愈強，參考深入說明），在形成離子 晶體時所放出的熱量亦愈多。 例： 離子半徑：Li＋ ＜Na＋ ，F－ ＜Cl－ Li＋(g)＋F － (g) → LiF(s)，H＝－1047 kJ（放熱多） 【範例 1】 離子鍵的形成 試由八隅體法則，寫出氯化鎂的路易斯結構式及化學式。 答 或 ，MgCl2 解 路易斯結構式為 或 ∴化學式為 MgCl2 [類題 1-1]試由八隅體法則，寫出氧化鋁的路易斯結構式及化學式。 答 ，Al2O3 [類題 1-2]在 1 小粒氯化鈉晶體中，若含有 1×1022 個鈉離子，則有多少個氯離子？ (A) 1×1022 (B) 4×1022 (C) 6×1022 (D) 12×1022 (E) 24×1022。 答 (A) 氯化鈉的實驗式為 NaCl，即鈉離子與氯離子的數目比為 1：1。 二、離子化合物 (一) 定義：由離子鍵構成的物質，稱為離子化合物。 (二) 組成：陽離子（金屬離子、銨離子）＋陰離子（非金屬離子、酸根、OH－） 陰離子 陽離子 非金屬離子 酸根離子 氫氧離子 金屬離子 例：NaCl、MgO… 例：Na2CO3、 Al2(SO4)3… 例：KOH、 Mg(OH)2… 銨離子 例：NH Cl、NH I… 例：NH4NO3、
(三) 價數： 1. 常見的離子及其價數： 帶一單位電荷 帶兩單位電荷 帶三單位電荷 陽 離 子 IA＋（鹼金屬離子） Hg22 ＋ （亞汞離子） Cu＋（亞銅離子） Ag＋（銀離子） NH4 ＋ （銨離子） IIA2＋（鹼土金屬離子） Sn2＋（亞錫離子） Pb2＋（鉛離子） Mn2＋（亞錳離子） Fe2＋（亞鐵離子，綠色） Hg2＋（汞離子） Cu2＋（銅離子，藍色） Zn2＋（鋅離子） Al3＋（鋁離子） Au3＋（金離子） Cr3＋（鉻離子） Fe3＋（鐵離子，褐色） 陰 離 子 X－（鹵素離子） OH－（氫氧離子） CH3COO － （醋酸根） NO3 － （硝酸根） MnO4 － （過錳酸根，紫紅色） O2－（氧離子） S2－（硫離子） Cr2O72 － （二鉻酸根，橙色） CrO42 － （鉻酸根，黃色） SO42 － （硫酸根） SO32 － （亞硫酸根） C2O42 － （草酸根） CO32 － （碳酸根） N3－（氮離子） P3－（磷離子） PO43 － （磷酸根） ※ 1A、2A、3A 族的金屬價數分別為 ＋1、＋2、＋3；5A、6A、7A 族的非金屬價數分別為 －3、 －2、－1。 2. 藉由價數，可寫出離子化合物的實驗式。 將陰、陽離子乘上適當倍數，使正、負電荷量相等。 物 質 氧化鈉 氯化鋇 硫酸銨 實驗式 【範例 2】 判斷離子化合物 下列何者為離子化合物？
(A) K2O (B) NaOH (C) SiF4 (D) H2SO4 (E) NH4Cl。
提示 離子化合物的組成為（金屬離子、NH4 ＋ ）＋（非金屬離子、酸根、OH－ ）。 答 (A)(B)(E) 解 (A) 由 K＋ 、O2－ 結合而成。 (B) 由 Na＋、OH－ 結合而成。 (E) 由 NH4 ＋ 、Cl－ 結合而成。 [類題 2] 下列何組元素易形成離子化合物？ (A) F 和 O (B) C 和 Cl (C) Mg 和 F (D) Si 和 O (E) B 和 H。 答 (C) (C) 金屬元素與非金屬元素易結合成離子化合物。 【範例 3】 離子化合物的化學式 寫出下列物質的化學式： (1)氯化鈣 (2)硝酸鎂 (3)鉻酸銀 (4)磷酸鈣
[類題 3-1]元素 13A 與元素 8B 的電子排列如右圖所示。當 A 與 B 化合時，其化合物的化學式 為何？
(A) A2B (B) AB2 (C) A3B2 (D) A2B3 (E) AB。 答 (D) A 元素有 3 個電子殼層、3 個價電子，即為第三週期、3A 族的鋁，易失去 3 個電子，價數為 ＋ 3；B 元素有 2 個電子殼層、6 個價電子，即為第二週期、6A 族的氧，易得到 2 個電子，價數 為 －2。故 A 與 B 化合時，其化學式為 A2B3，即 Al2O3。 [類題 3-2] A 為第四週期的第 12 族元素，當 A 與草酸根化合時，其化學式為何？ （以「元素符號」作答） 答 ZnC2O4 A 為鋅，其離子的價數為 ＋2。 三、離子晶體的形成 (一) 晶格：利用現代儀器（如X射線繞射儀）探測離子固體結構，顯示相反電荷的離子可在任何 方向發生鍵結，大量陰陽離子作規則堆積，靜電引力在水平及垂直方向延伸成為三度 空間的離子晶格（lattice）。 (二) 晶體的形成：離子化合物中，陰、陽離子利用交錯排列的方式堆積成離子晶體，相鄰異性電 之離子互相靠近，而帶同性電之離子則相互分離，使得離子化合物有著最穩定 的狀態。 (三) 氯化鈉晶格結構： 1. 每個Na 不只受到一個+ Cl－的吸引力；每個 + Na 最 鄰近的 Cl－ 有 6 個，每一個 Cl－ 最鄰近的 Na＋ 也有 6 個，晶格中陽離子與陰離子的交錯排列，使得位能 達到最低。 2. 氯化鈉晶體中，陰、陽離子的個數比為 1：1，故 化學式為 NaCl。 3. 由氯化鈉的結晶構造模型中，也可看出每個 Na+ 周圍有 12 個與其最接近的 Na+，同理 Cl－ 周圍，也 會有 12 個與其最近的 Cl－ 存在。 三、離子化合物的特性 (一) 陰、陽離子以庫侖靜電引力互相吸引，按照一定的格式交替排列形成晶狀固體，稱為「離
(三) 硬度大，熔、沸點高：由於陰、陽離子間的強靜電引力，造成晶體有較高的硬度，熔點及 沸點均甚高，在常溫、常壓下為固體，具有一定的結晶構造 1. mp、bp 均甚高，在常溫時為固態晶體，例如：NaCl 熔點為 801 °C，MgCl2熔點高達 2800 °C。 2. 熔點及沸點：離子化合物＞分子(非絕對)。 (四) 溶解度：許多離子化合物易溶於水(極性溶劑)，乃因水合作用，以氯化鈉為例。 ：少許、部分 (五) 為電解質：固態不導電，但熔融態或溶於水後，因晶格崩解，產生離子，故能導電。 1. 固態時，離子無法自由移動，故不導電。 2. 液態(熔融態)及水溶液則靠可自由移動的離子導電。 (六) 質硬而脆，延性與展性差：當受外力撞擊時，易脆裂成一定晶面及晶形。 四、常見的離子化合物及其用途 分類 名稱 化學式 用途 鹼 氫氧化鎂 Mg(OH)2 長效型胃藥 氫氧化鉀 KOH 肥皂及清潔劑原料 鹽類 碳酸鈉 Na2CO3 清潔劑、造紙、玻璃、陶器 碳酸氫鈉 NaHCO3 小蘇打粉、速效型胃藥、滅火劑 氯化鈉 NaCl 調味品 亞硝酸鈉 NaNO2 食物保存劑 硝酸銨 NH4NO3 肥料 硫酸鈣 CaSO4 石膏 磷酸氫鈣 CaHPO4 肥料 硫酸鋁 Al2(SO4)3 水的淨化劑
【範例 4】 離子化合物的特性 已知 A 原子的電子數為 12，B 原子的電子數為 17。下列關於由 A 和 B 兩種原子及其所形成 的化合物之敘述，何者正確？ (A) A 為第三週期的金屬元素 (B) B 為第 17 族元素 (C)該化合物的化學式為 A2B (D)常溫、常壓下，該化合物為液體 (E)該化合物為電解質。 答 (A)(B)(E) 解 (C) A 為 ＋2 價，B 為 －1 價，化學式為 AB2 。 (D) 為固體。 [類題 4-1] 硝酸鉀俗稱硝石，為黑色火藥的原料之一。下列關於硝酸鉀的敘述，何者正確？ (A)為離子化合物 (B)其晶體缺乏延性與展性 (C)其晶體不導電，但熔融態及水溶液態可導電 (D)常溫、常壓下，呈固態 (E)其晶體不溶於水。 答 (A)(B)(C)(D) (E) 可溶於水。 [類題 4-2] 下列有關離子化合物的敘述，何者正確？ (A)延性與展性差，不溶於水 (B)固態與熔融態時均不能導電 (C)含有離子鍵 (D)其化學式以實驗式表示 (E) (NH4)2SO4 為離子化合物。 答 (C)(D)(E) (A)許多離子化合物可溶。(B)熔融態及水溶液態時可導電。 【範例 5】 氯化鈉晶體 下列有關離子鍵及氯化鈉晶體的敘述，何者正確？ (A)離子鍵的本質為庫侖靜電力 (B) Na＋ 與 Cl－ 間利用離子鍵結合成化合物 (C) NaCl 為氯化鈉的分子式 (D) Na＋ 與 Cl－ 均符合氬的電子排列 (E)在氯化鈉晶體中，每 1 個 Na＋ 被 6 個緊鄰的 Cl－ 包圍 (F) Na＋(g)＋Cl － (g) → NaCl(s) 為放熱反應。 答 (A)(B)(E)(F) 解 (C) 為實驗式。 (D) 11Na ＋ 的電子排列與氖（10Ne）相同。 [類題 5] 下列有關氯化鈉晶體的敘述，何者正確？ (A)含有離子鍵 (B) Na＋ 與 Cl－ 的電子數恰好一樣多 (C) Na＋ 與 Cl－ 均擁有鈍氣原子的電子數目 (D)由許多 NaCl 分子堆積而成 (E)路易斯結構式為 。 答 (A)(C) (B)電子數分別為 10 與 18。(D)由 Na＋、Cl－ 交錯堆積而成。 (E)為 。
深入說明：
一、離子鍵鍵能
(一) 離子鍵的鍵能 陰、陽離子電荷的乘積（Q陰、陽離子半徑的和（r）1Q2） 當陰、陽離子靠近時，位能的下降可由kQ1Q2 r 來計算，其中 k 為常數，Q1、Q2分別為陽離子和陰離 子的電荷，r 表示陰、陽離子原子核間的距離，亦即離子鍵長。故 Q1、Q2愈大，或 r 愈小，離子鍵 愈強。 (二) 要判斷離子晶體的熔點，尚需考慮晶體堆積方式： 1. 當晶體堆積相同時，Q1Q2 r 愈大，則 m.p.愈高。一般來說，大部分 1A 族鹵化物和 2A 族氧化物 皆為雙面心堆積（似 NaCl 型結構）。 比較順序： (1) 陰、陽離子之電荷乘積愈大，離子鍵的鍵能愈大。 例 Ca2＋O2－＞Na＋ Cl－ （2×2） （1×1） (2) 電荷乘積相同時，離子半徑愈小者，離子間距離愈短，鍵能愈大。 例 LiF＞NaCl＞KBr＞RbI 2. 影響原子或離子半徑大小因素，可視為兩種力的競爭，一是核電荷的引力效應，另一是電子間 產生的斥力效應。 (1) 電子數：原子的電子按照電子分布的規律性排列，隨著電子數愈多，電子占據的殼層數目逐 漸增加，離原子核的距離也愈來愈遠。 (2) 質子數：隨著原子的原子序增加，核內的質子數也愈來愈多，核電荷增加，造成吸引電子的 引力愈來愈大，導致原子的半徑減小。 (3) 遮蔽效應：由於內層電子會削弱外層電子與原子核間的吸引力，使得外層電子感受到的核電 荷吸引力受到遮蔽，外層電子接受到的核電荷引力比理論小，此時這種淨核電荷 稱為有效核電荷。 提示 (1) 週期表中原子半徑的大小規律。 (2) 一般而言，鍵能愈大之離子化合物，其熔點愈高。 (三) 法揚士法則： 1. 常用於離子化物中陽離子數：陰離子數≠1：1 時的熔點比較，如 SnCl2和 SnCl4熔點比較。 2. 原理：此時共價性高，比較像共價鍵，粒子間引力為凡得瓦力。 3. 若晶格不同時，通常由陰、陽離子電負度差判斷，電負度相差愈大，則離子性愈明顯，m.p.愈 高；反之，若離子性不明顯而共價性較明顯者，則 m.p.較低。 mp：NaCl (801 °C)＞MgCl2 (714 °C)＞AlCl3 (190 °C) 4. 熔點比較： (1) 陰離子相同時，若陽離子之半徑愈短或價數愈高，共價性越明顯，離子性越不明顯 (愈易吸 引電子，即把已送給陰離子的電子再吸引回去，造成二離子一起共用這個電子)，離子鍵會越 共價化，而使 mp 愈低。 mp：SnCl2 (246 °C）＞SnCl4 (－33 °C）；CaCl2 (772℃) ＞ MgCl2 (714℃)。 (2) 陽離子相同時，陰離子半徑愈長或價數愈高(對電子引力愈弱，愈易放回電子給陽離子，使得 電子共用)會使鍵結愈共價化，而使 mp 愈低。 mp：MgF2 (1261℃) ＞ MgBr2 (711℃)。(3) 當離子大小相近(或堆積方式相同時)，陽離子具鈍氣電子組態，陰離子無法送回電子共用， 其離子鍵較非鈍氣電子組態者強。(即 mp：A 族離子晶體常大於 B 族離子晶體) mp：MgCl2 (714℃) ＞ ZnCl2 (275℃)。 【範例 6】 離子鍵的鍵能大小比較 比較下列物質的鍵能大小：(1) NaCl (2) KBr (3) MgO 答 MgO＞NaCl＞KBr 解 Mg2＋ O2－（電荷乘積最大）＞Na＋ Cl－（離子間距離短）＞K＋ Br－ [類題 6] 下列哪一物質的熔點最高？
(A) NH3 (B) CaO (C) LiF (D) C2H5OH (E) He。 答 (B)
Ca O（離子鍵的鍵能最大）＞Li F（離子鍵）＞ ＋2 －2 ＋1 －1
