2-1 金屬鍵與離子鍵 1 1

金屬鍵與離子鍵 2-1 化學鍵是存在於原子間的作用力，可分為金屬鍵、離子鍵及共價鍵。一般而言，離子鍵及共價鍵的鍵能約在 150 ～ 400 kJ mol－1 之間，金屬鍵的鍵能則較小，約為其三分之一。藉著這三種化學鍵，可分別形成金屬晶體、離子晶體、分子物質及共價網狀固體，本節將介紹金屬晶體及離子晶體。 2

金屬鍵與離子鍵 2-1 2-1.1 金屬鍵與金屬晶體 2-1.2 離子鍵與離子晶體 3

了解金屬晶體的堆積方式， 及金屬鍵與金屬的熔、沸點 之關係。 金屬鍵與離子鍵 2-1 學習目標： 了解金屬晶體的堆積方式， 及金屬鍵與金屬的熔、沸點 之關係。 了解離子晶體氯化鈉的堆積 方式，及離子鍵與離子晶體 的熔、沸點之關係。 4

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 金屬晶體是金屬原子藉由金屬 鍵結合而形成的晶體。 金屬原子具有以下特性： 及 。 空價軌域 低游離能 及 。 空價軌域 低游離能 金屬晶體之價電子易被游離而可以在彼此重疊的 價軌域中自由移動。 金屬鍵就是自由電子與金屬陽離子間的引力， 所以金屬鍵 (有或沒有)方向性。 沒有 5

閱讀焦點：金屬的立方晶系堆積 金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 晶體可看成是由一最小的 單元重複堆積而成， 此最小重複單元稱為 單位格子。 此最小重複單元稱為 單位格子。 單位格子為正立方體者， 稱為立方晶系。 立方晶系共有三種： 、 。 簡單立方 體心立方 面心立方 6

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 晶格種類 (A)簡單立方 的單位格子 (B)體心立方 的單位格子 (C)面心立方 的單位格子 堆積 方式 單位 7

金屬鍵與金屬晶體 6 8 12 2-1.1 實例：Po 實例： Na、Fe、Cr、Ba 實例： Ca、Sr、Al、Ni、Cu 52％ 68％ 晶格種類 (A)簡單立方 的單位格子 (B)體心立方 的單位格子 (C)面心立方 的單位格子 單位 格子 配位數 單位格子中的原子數 填充率 實例：Po 實例： Na、Fe、Cr、Ba 實例： Ca、Sr、Al、Ni、Cu 6 8 12 52％ 68％ 74％ 8

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 週期表中，部分金屬元素的晶體結構： 動畫：金屬晶體 9

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 金屬晶體的熔點及沸點與金屬鍵的強弱有關， 金屬鍵的強弱則受到以下因素的影響： 、 及 。 金屬鍵的強弱則受到以下因素的影響： 、 及 。 第 1 族金屬元素：(單位：半徑/pm、熔沸點/℃) 原子半徑 價電子數 晶體的堆積方式 元素 價電子數 半徑 第1族 Li 1 134 Na 154 K 196 Rb 211 Cs 225 晶體構造 體心立方 熔點 186 97.5 63.5 39.0 28.4 沸點 1326 889 774 688 690 10

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 金屬晶體的熔點及沸點與金屬鍵的強弱有關， 金屬鍵的強弱則受到以下因素的影響： 、 及 。 金屬鍵的強弱則受到以下因素的影響： 、 及 。 第 2 族金屬元素：(單位：半徑/pm、熔沸點/℃) 原子半徑 價電子數 晶體的堆積方式 元素 價電子數 半徑 第2族 Be 2 90 Mg 130 Ca 174 Sr 192 Ba 198 晶體構造 六方最密 面心立方 體心立方 熔點 1283 650 845 770 725 沸點 2970 1120 1420 1380 1640 11

金屬鍵與金屬晶體 2-1.1 第 1 族金屬元素的堆積方式皆為體心立方，故其 熔點及沸點皆隨原子序的增大而減低， ⇒因原子序愈大，則半徑愈大，金屬鍵愈弱。 同週期中第 2 族金屬元素之熔點及沸點皆較第 1 族 金屬元素高，如 Be＞Li、Mg＞Na 等， ⇒因為第 2 族金屬元素之價電子數較多， 故金屬鍵較強。 12

離子鍵與離子晶體 2-1.2 在常溫時，離子化合物大多呈現固態的結晶， 故又稱為離子晶體（ionic crystal）。 離子晶體係藉由離子鍵結合而形成，離子鍵的 本質為陰、陽離子間的 。 一對離子對形成時，其能量可利用庫侖定律估 算，如式2-1： 庫侖靜電力 Q1、Q2 為陰、陽離子所帶的電荷量， r 為陰、陽離子間的距離。 13

離子鍵與離子晶體 2-1.2 帶入庫侖定律，可得每一對氯化鈉離子對之 能量為 U＝－8.23×10－19 J， 以氯化鈉為例： Q1、Q2 分別為＋1.6×10－19 庫侖與－1.6×10－19 庫侖， r 為 2.83×10－10 公尺， 帶入庫侖定律，可得每一對氯化鈉離子對之 能量為 U＝－8.23×10－19 J， 換算為每 1 莫耳的氯化鈉離子對，其能量為 5 14

離子鍵與離子晶體 2-1.2 實際上，當 1 莫耳的離子 晶體形成時，每一個離子 會受到周圍許多相反電荷 離子的吸引力，當然也會 受到許多相同電荷離子的 排斥力，如右圖： 其總能量會較離子對更低， 此過程所釋放出的能量稱為 ， 氯化鈉晶體的晶格能為－786 kJ mol－1。 晶格能 15

氯化鈉的單位格子 離子鍵與離子晶體 2-1.2 Cl－ 氯離子： 堆積， 鈉離子： 堆積， 每個鈉離子的周圍有六個氯離子， 動畫：離子晶體 氯離子： 堆積， 鈉離子： 堆積， 每個鈉離子的周圍有六個氯離子， 所以鈉離子之配位數為 ； 同樣地，氯離子之配位數亦為 6。 氯化鈉的單位格子中共有四個氯離 子與四個鈉離子 ， 所以其化學式為 。 面心立方 面心立方 6 Na+ NaCl 16

離子鍵與離子晶體 2-1.2 由於離子鍵是藉陰、陽離子之庫侖靜電引力所形 成，此引力可存在任何方向上， ⇒ 離子鍵 （具或不具）方向性。 ⇒ 離子鍵 （具或不具）方向性。 結構相同的離子晶體，其離 子鍵的強弱可依式2-1估計。 不具 鹵化鈉的熔點隨鹵素原子序之增大而降低 （因為鹵素離子的半徑隨原子序之增加而增大，而使離子鍵減弱所致。） MgO 的熔點較 NaCl 高 （因兩者堆積方式相同，MgO 之陰、陽離子所帶電荷均較 NaCl 大所致。） 17

範例 2-1 圖 2-7 為氯化鈉的晶體結構示意圖，若其單位格子的邊長為 a ，則下列敘述何者正確？ Na＋ 與 Cl－ 最近的距離相距 　 a/2 (B)每個 Na＋ 被緊鄰的 4 個 Cl－ 所包圍 (C)單位格子中，總共含 4 個 Na＋ 和 4 個 Cl－ (D)對每一個 Na＋ 而言，距離最近的 Na＋ 共有 8 個 (E) Cl－ 與 Cl－ 的最近距離為 18 選修化學(上) 18

練習題 2-1 解答 已知 NaCl、KBr、KI、LiF 具有相同的晶體結構，則其熔點高低順序為何？ 已知離子鍵能 µ U 故陽離子與陰離子半徑和愈大，鍵能愈小，熔點愈低。 因為 陽離子半徑：Li＋＜Na＋＜K＋ 陰離子半徑：F－＜Cl－＜Br－＜I－ 故半徑和：LiF＜NaCl＜KBr＜KI 其熔點高低順序：LiF＞NaCl＞KBr＞KI 19 選修化學(上) 19

學習成果評量 解答 1.看圖判斷：以下金屬晶體屬於何種堆積方式？ (1) (3) (2) (1)簡單立方 (2)體心立方 (3)面心立方 (1)簡單立方 (2)體心立方 (3)面心立方 20 選修化學(上) 20

學習成果評量 解答 2.以下金屬晶體之單位格子各有多少個原子？ (1) (3) (2) (1) 1個 (2) 2個 (3) 4個 21 21 (1) 1個 (2) 2個 (3) 4個 21 選修化學(上) 21

學習成果評量 3.下圖為某金屬之面心立方晶體，回答以下問題。 配位數為 。 若單位格子邊長為  Å，則 金屬鍵長為 Å，金屬半徑為 Å。 配位數為　 　。 若單位格子邊長為  Å，則 金屬鍵長為　 　Å，金屬半徑為　 　Å。 12 22 選修化學(上) 22

學習成果評量 右圖為氯化銫的單位格子，回答下列問題： (1) 配位數為若干？ (2) 單位格子中含幾個 Cs＋？ 若干個 Cl－？ 8 (3) 實驗式為何？ (4) 若單位格子的邊長為 410 pm， 則離子鍵長為若干 pm？ 8 1 個 Cs＋，1 個 Cl－ CsCl 355 pm 23 選修化學(上) 23

學習成果評量 比較以下各小題不同物質之熔點高低： (1) Na、Mg、Al (2) LiF、NaCl、KBr Na＜Mg＜Al (3) LiF、BeO Na＜Mg＜Al LiF＞NaCl＞KBr LiF＜BeO 24 選修化學(上) 24