§ 5 ─5 離 子 鍵 § 離子鍵的形成: (1)定義:兩個帶相反電荷的陰陽離子間,以庫侖引 力結合者,稱為離子鍵。 (2)條件:游離能低的金屬與電負度大的非金屬元素 之間易構成離子鍵。 (3)說明:金屬元素(如鹼金屬)游離能小,易失去電 子,將電子給電負度大(易得到電子)的非金屬元 素(如鹵素),使各自達到類似鄰近鈍氣電子組態 的陰陽離子,再藉庫侖引力而結合。例如 NaCl 。
庫侖引力:形成 NaCl 的離子晶體 ,其中〔〕表示完成八隅體
電負度差與離子鍵: 當兩原子以離子鍵化合後,兩者電負度相差愈大,鍵結電子對愈偏向一方,在這一方的電子對出現機率愈大,而鍵的離子特性也就較大。反之,電負度差較小者,鍵的共價性較大。大致而言,二原子間的電負度差 > 1.7 時,表示二原子間的鍵為離子鍵,此時離子特性約佔 50 % 以上,例如 Na (電負度0.9) 與 Cl (電負度3.0)的電負度差為 2.1,則其離子特性為 67%,一般而言,金屬與非金屬的化合物大多為離子鍵,例如 NaH、LiH 的電負度差雖小於 1.7,但仍屬離子鍵。 P.S:NH4Cl、(NH4)2SO4
Page 59 範例 1 Key:離子鍵的形成條件:游離能低的金屬與電負度 大的非金屬元素 Sol:(A) 18 Ar;36 Kr (B) 19 K;35 Br (C) 8 O;9 F (D) 16 S;17 Cl (E) 9 F;17 Cl
Page 60 範例 9 Key:離子鍵 Sol:(A)離子鍵的形成條件:游離能低的金屬與電 負度大的非金屬元素 (B)不具方向性 (C) (D)
※.赫士定律 (1) 反應熱的大小只依變化之最初與最終之狀態而定與反應 途徑無關。 (2) 若一反應能由其他數個反應的代數和來表示時, (1) 反應熱的大小只依變化之最初與最終之狀態而定與反應 途徑無關。 (2) 若一反應能由其他數個反應的代數和來表示時, 其反應熱亦等於此數個反應之反應熱的代數和。 +) 範例:已知CO(g)與CO2(g)的燃燒熱,求CO(g)的生成熱。 +)
離子晶體的結合能: Na(s) + 1/2Cl2(g) → NaCl(s) ΔHf = 莫耳生成熱 其 ΔHf 由下列三個步驟完成 (1)第一步:包括金屬鈉之昇華熱與氯分子之解離熱 ,均為吸熱。 Na(s)+ 1/2Cl2(g) → Na(g) + Cl(g) ΔH1 = 107.7 + (1/2)(243.4) = 229.4 KJ (2)第二步:包括鈉之游離能與氯之電子親和力 Na(g) + Cl(g) → Na+(g) + Cl-(g) ΔH2 = 496 + (-349) = 147 KJ (3)第三步:Na+(g) 與 Cl-(g) 結合成 NaCl(s) 之晶格能 Na+(g) + Cl-(g) → NaCl(s) ΔH3 = - 787.3 KJ Na(s)+ 1/2Cl2(g) → NaCl(s) ΔHf = 229.4 + 147 + (- 787.3) = - 410.9 KJ
sol: ∆H1 = + 107. 7 ∆H2 = + 496 ∆H3 = + 121. 7 ∆H4 = - 349 ∆H5 = - 787 sol: ∆H1 = + 107.7 ∆H2 = + 496 ∆H3 = + 121.7 ∆H4 = - 349 ∆H5 = - 787.3 ∆H = - 410.9
Page 59 範例 2 sol: ∆H1 = + 107 ∆H2 = + 490 ∆H3 = + 121 ∆H4 = - 350 ∆H5 = - 860 ∆H = - 492
Page 59 範例 3 sol: ∆H1 = + 93 ∆H2 = + 496 ∆H3 = + 122 ∆H4 = - 348 ∆H5 = - 780 ∆H = - 417
晶格能的求法 -349.0kJ (4) 氯的電子親和力 (3) 鈉的游離能 496.0kJ (2) 121.7kJ 晶格能 (5) (1) 鈉的昇華熱 787.3kJ 107.7kJ (6) 生成熱 -410.9kJ 107.7+121.7+496-349 -晶格能= -410.9
離子晶體的穩定能:氯化鈉離子對,離子正方,離子立方與固體晶格之能量關係
Page 59 範例 4 sol: (A) -349.0kJ (4) 氯的電子親和力 (3) 鈉的游離能 496.0kJ (2) 晶格能 (5) (1) 鈉的昇華熱 787.3kJ 107.7kJ (6) 生成熱 -410.9kJ
晶格能之應用: 由離子半徑小且電荷大的離子形成晶體時,其晶格能愈大,形成晶體時放熱愈多,離子鍵愈強,離子晶體愈穩定,硬度大、熔點高且溶解度較小。
原子及離子之相對大小
影響離子鍵強度的因素: (1)離子電荷大小:晶形相同且陰陽離子電荷數相同,離子鍵 長相近,離子電荷數大,則鍵愈強,m 影響離子鍵強度的因素: (1)離子電荷大小:晶形相同且陰陽離子電荷數相同,離子鍵 長相近,離子電荷數大,則鍵愈強,m.p 愈高。 +2 -2 +1 -1 +2 -2 +1 -1 例:MgO > NaCl;CaO > KF (2)離子半徑大小:晶形相同,陰陽離子電荷數相同,則鍵長 愈短,鍵愈強,m.p 愈高。 例:MgO>CaO>SrO>BaO; BeF2>MgF2>CaF2>SrF2>BaF2 例:KI、MgO、NaCl 之晶型同,但離子半徑: Mg2+<Na+<K+;O2-<Cl-<I-,且 Mg2+ 與 O2- 電荷大 ,所以熔點(℃):MgO(2800)>NaCl(800)>KI(723) (3)離子性:陰陽離子電荷數不等,則電負性相差愈大,鍵愈 強,m.p 愈高。 例熔點(℃):NaF(993)>NaCl(800)>NaBr(755)>NaI(651) 例熔點(℃):BaCl2(962)>SrCl2(873)>CaCl2(772)> MgCl2(708) >BeCl2(440)
一些離子晶體的晶格能與熔點 離子的電荷愈大,半徑愈小,離子鍵愈強。 離子鍵愈強,晶格能愈大,熔點愈高。
Page 60 範例 5 Key:離子半徑小且電荷大的離子形成晶體時,其晶 格能愈大。 +1 -1 +2 -2 Sol:(A) KCl < CaS (B)半徑 Cs+ > Li+;Br- > F- (C)半徑 S2- > O2- (D)半徑 Ba2+ > Mg2+ (E)半徑 Cl- > F-
Page 60 範例 6 Key:離子鍵↑ m.p↑ Sol:(A) q1 × q2 MgO > LiF (B) 半徑 K+ > Na+;Br- > Cl- (C) 半徑 Mg2+ < Ca2+ (D) 電負度差距 MgCl2 > BeCl2 (E) 半徑 Cl- > F-
法讓斯原則(Fajans‘ Rules): 法讓斯1923年提出電子雲變形,會使離子化合物轉變成分子化合物,由熔點之變化可以得知,其因素如下: (1)同種陽離子,高電荷比低電荷之離子性弱。此因為正 電荷愈大,愈不易自其身上移走電子,故高價陽離子 形成離子鍵的共價性較大,離子鍵較弱。 +2 +4 例:熔點 SnCl2(246℃) > SnCl4(-33℃) +3 +5 SbCl3(73.4℃) > SbCl5(2.8℃) (2)離子半徑相近,陽離子有 d 軌域填滿電子者,離子 性較弱,因軌域有遮蔽效應。 例:熔點 NaCl(800℃) > CuCl(422℃) r(Na+)=0.95埃;r(Cu+)=0.96埃 SrCl2(873℃) > HgCl2(276℃) r(Sr2+)=1.13埃,r(Hg2+)=1.10埃
(3)電荷相同,半徑較小陽離子,離子性弱。 例:熔點 BaCl2(962℃) > BeCl2(440℃) (4)離子半徑相近,高電荷陰離子比低電荷陰離子之 離子性弱。 例:熔點 KCl(776℃) > K2S(471℃)
Page 60 範例 7 Key:離子鍵↑ m.p↑ Sol:(A)半徑 I- > Br- > Cl- > F- (B)電負度差距↑離子性↑離子鍵↑ BaCl2>SrCl2>CaCl2>MgCl2>BeCl2 (C)同種陽離子,高電荷比低電荷之離子性弱 SnCl2(246℃) > SnCl4(-33℃) (D) SbCl3(73.4℃) > SbCl5(2.8℃) (E)離子半徑相近,陽離子有 d 軌域填滿電子 者,離子性較弱,因軌域有遮蔽效應。 MgCl2 > CuCl2
Page 60 範例 8 Key:離子鍵↑ m.p↑ Sol:(A)半徑 I- > Cl- > F-; 半徑 Rb+ > Na+ > Li+ q1 × q2 MgO > LiF
離子晶體之特性: (1)具有一定的晶面與晶形,即使破裂仍存在。 (2)純者大都無色透明,但有三種情形其晶體有顏色 (A)含過渡元素之離子晶體大都有顏色,除非 d 軌 域全滿或全空。 (B)結晶中有雜質。 (C)結晶時,某個結晶位置缺少離子,此謂結晶缺 陷。 (3)熔點、沸點、熔化熱、汽化熱大,不易揮發。 (4)熔融態、水溶液皆可導電,溶解度大者導電度大 (5)硬度大、但易脆,不具延展性。因延展時陽離子 與陽離子相遇,陰離子與陰離子相遇,產生強大排 斥力,故易脆。 (6)易溶於極性溶劑中如水,難溶於非極性溶劑如苯 、CCl4。
延展性 離子晶體受外力時,產生同性離子間的斥力而崩裂。
※赫士定律 (1) 反應熱的大小只依變化之最初與最終之狀態而定與反應 途徑無關。 (2) 若一反應能由其他數個反應的代數和來表示時, (1) 反應熱的大小只依變化之最初與最終之狀態而定與反應 途徑無關。 (2) 若一反應能由其他數個反應的代數和來表示時, 其反應熱亦等於此數個反應之反應熱的代數和。 +) 範例:已知CO(g)與CO2(g)的燃燒熱,求CO(g)的生成熱。 +)
(7)離子晶體溶於水先破壞晶格,形成陰陽離子再與 水產生水合。 MX(s) → M+(g) + X-(g) ΔH1(吸熱,相當於晶格能) M+(g) → M+(aq) ΔH2(放熱,水合能) +)X-(g) → X-(aq) ΔH3(放熱,水合能) MX(s) → M+(aq) + X-(aq) ΔH(溶解熱) = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 (A)若晶格能大於水合能,溶解過程為吸熱反應 (升溫溶解度增)。如 NH4NO3。 (B)若晶格能小於水合能,溶解過程為放熱反應 (升溫溶解度減)。如 NaOH。
1.水合作用: 當一電偶極分子被離子吸引時,若兩者之電荷相反,則該物系之能量降低。因此 ,水分子環繞於離子周圍。若離子荷負電,則水分子之正極向內;若離子荷正電,則水分子陰極向內,而正負相吸必定放熱,所以能量下降。此過程稱為水合作用。
2.水合能:水合作用所放出的能量。 (1)水合能的大小決定因素:離子的電荷密度。 (2)離子半徑愈小,電荷數愈多,水合能愈大。 (3)水合能大小比較:Al3+> Mg2+ >Na+, Be2+ > Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ > Ba2+
原子及離子之相對大小
Page 60 範例 10 Key:晶格能 Sol:KI(s) → K+(g) + I-(g) ΔH1 = 632 K+(g) → K+(aq) ΔH2 = - 314 +) I-(g) → I-(aq) ΔH3 = - 297 KI(s) → K+(aq) + I-(aq) ΔH(溶解熱) = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3 = + 21 (C)∴ 溶解時為吸熱, T↑ S ↑
離子晶體的堆積方式: 為三次元立體塊狀結構,陰陽離子必相間排列,其排列方式由陰陽離子之半徑比例來決定。如下表: 配位數: (1)與中心原子(或離子)密接最鄰近的原子(或離子) 數,稱為配位數。 (2)配位數多寡由 r+/r- (陽離子半徑比陰離子半徑) 比值決定。 (A) r+/r- 愈大:配位數愈大 (B) r+/r- 的最大值= - 1
鍵長 凡得瓦半徑 分子間距 共價半徑 圖:固態氯中的共價半徑與凡得瓦半徑
離子晶體的半徑比與晶格
氯化鈉的晶體結構: 氯化鈉格子的立體堆積,在(a)圖表示氯離子的位置,(b)圖表示鈉離子的位置,可見對氯離子而言,是屬於面心立方堆集:對鈉離子而言,也是屬於面心立方堆集。(c)圖是將鈉離子與氯離子同時併入單位格子中,這就是氯化鈉格子的立體結構。 ○
氯化鈉 NaCl 晶體構造(1) 配位數為 6,形狀為八面體。 最接近的同離子數為:12 Na+: 單位晶格內有4個Na+與4個Cl-
氯化鈉晶體構造(2) C1- Na+ l a a 單位晶格長 同離子的最近距離為 若NaCl的克式量為M,則其密度
面心立方堆積(八面體):NaCl 型 (1)單位晶格如上圖: (2) r+/r- 比值 0. 414 ~ 0 面心立方堆積(八面體):NaCl 型 (1)單位晶格如上圖: (2) r+/r- 比值 0.414 ~ 0.732 (3)配位數:6 (4)單位晶格含有 4 個陽離子 [12×(1/4)+1],4 個 陰離子 [8×(1/8)+6×(1/2)],即單位晶格內含有 4 對 NaCl。 (5)離子鍵鍵長 a 與單位晶體邊長 之關係: a = r+ + r- = /2 (6)晶體密度 d (g/ml)與 之關係:
Page 61 範例 12 Key:面心立方堆積 Sol:(A) 6 個而非 4 個 (B) 12 個 (D) (E)
【91 指考】 在氯化鈉結晶格子中,每 1 個氯離子周圍有 6 個最靠近的鈉離子,而每 1 個鈉離子周圍也有 6 個最靠近的氯離子。試問每 1 個氯離子周圍最靠近的氯離子應有幾個? (A)6 (B)8 (C)10 (D)12
sol: 配位數為 6,形狀為八面體。 最接近的同離子數為:12 Na+: 單位晶格內有4個Na+與4個Cl- Cl- :
【92 指考】 含 A、B、X 三元素的某化合物之結構如圖 2,則此化合物之分子式為下列哪一個? (A)ABX (B)AB2X4 (C)AB2X2 (D)ABX3 (E)ABX4
sol: (1) A 球位於體內單位為 1 (2) B 球位於單位晶格頂點位置,每個為 單位, 有 8 個 B 球 8=1 (3) X 球位在線上,每球為單位 ,有 12 個 12=3 (4) A:B:X=1: 8: 12=1:1:3,此化合 物之示性式為 ABX3 (5)本題為離子晶格的結構,離子化合物無分子式, 只有簡式,但題目問此化合物的分子式,此為小 瑕疵。
【93指考】 下列有關 H2O、CS2、Na2S、SiO2 物質的沸點高低排列順序,何者正確?(A)SiO2>Na2S>H2O>CS2 (B)Na2S>H2O>SiO2>CS2 (C)Na2S>H2O>CS2>SiO2 (D)SiO2>Na2S>CS2>H2O (E)Na2S>SiO2>CS2>H2O
sol: 此題為綜合考題。判斷沸點的因素是看粒子間的引力: 網狀共價晶體>離子晶體>分子固體 而分子固體中又以具有氫鍵之分子引力>沒有氫鍵之分子引力 SiO2 為網狀共價晶體,Na2S為離子晶體,H2O為具有氫鍵之分子,CS2 為沒有氫鍵之分子,故沸點高低排列順序:SiO2>Na2S>H2O>CS2
體心立方的離子晶體 配位數為 8,如CsCl。 單位晶格內有 1 個Cs+與 1 個Cl-。
體心立方的離子晶體:
體心立方堆積(立方體):CsCl型 (1)單位晶格:晶體的最小部分,在三度空間重複延 伸則可得整個晶體的結構,如下圖。 (2) r+/r- 比值 0.732 ~ 1.0 (3)配位數:8 (4)單位晶格含有 1 個陽離子,1 個陰離子 [(1/8)×8=1] 。即含有 1 對CsCl。 (5)離子鍵鍵長 a 與單位晶體之邊長 之關係: a= r+ + r- = (6)晶體密度 d (g/ml)與 之關係:
Page 61 範例 11 Key:體心立方堆積 Sol:(A) (B) (1/8) × 8 = 1 (D) (E) NaCl 為面心立方堆積