我們都知道原子說是由道耳頓所提出 道耳頓認為一切物質都是由原子所組成 也知道原子與原子之間 其實存在互相吸引的作用力 同學可以觀察並思考一下 空氣中 存在有氧氣、二氧化碳、氬氣 在溪水中 存在有水 在土地中 存在金屬銀、氯化鈉等物質 為什麼有的原子可以單獨穩定存在於環境之中 有的卻要相互結合在一起才能形成穩定的結構呢？ 接下來 我們就來一起認識原子間的作用力－化學鍵形成的原因吧！ 化學鍵是指原子間相互結合在一起的作用力 千萬不要誤解成 原子與原子之間有一根「棒狀物」之類的東西連接彼此喔！ 原子間若是形成化學鍵 整體的能量會變得更穩定 所以在形成化學鍵的過程中 會伴隨著能量的釋放 因此化學鍵的形成是一種放熱反應 隨著科學的進步 我們對於化學鍵的瞭解也越來越多 現在我們提供一個從化學式快速判斷 原子間是哪一種化學鍵的簡單方法 讓你更快進入化學鍵的學習 只是 當累積足夠多的科學知識後 你可能會發覺這個判斷方式有一些例外的情況 元素可以區分為金屬元素以及非金屬元素 通常金屬元素與非金屬元素間所形成的化學鍵為離子鍵 非金屬與非金屬元素間的化學鍵大多為共價鍵 而金屬與金屬間的化學鍵則稱為金屬鍵了 現在我們就從離子鍵形成的原因開始介紹 週期表上各種元素的原子 如果想要形成穩定的存在 都會設法將自身的電子數目 轉變成與鄰近惰性氣體的電子數目相同 因此金屬原子容易失去電子形成陽離子 而非金屬原子則容易獲得電子形成陰離子 藉以穩定存在於自然界中 一旦離子形成後 陽離子與陰離子便藉由庫侖靜電引力彼此吸引 聽完上面的講述 你是否已經可以判斷 在我們的課程一開始 提出在生活中觀察到的物質 像是氯化鈉與水還有銀 它們的原子間存在著什麼種類的化學鍵呢？ 離子鍵是陰、陽離子透過庫侖靜電引力形成的化學鍵 以離子鍵形成的化合物就稱為離子化合物 在常溫下 離子化合物大多呈現固態的結晶狀 故又稱為離子晶體 你可能會以為離子化合物 是由一對陽離子與陰離子所組成 實際上 所有的離子化合物所構成的離子晶體 在經由X射線單晶繞射技術的解析下 會發現晶體中的陰、陽離子會呈現連續性的交替分布 其中異性電荷離子會儘量靠近 同性電荷離子則會儘量遠離 而靜電引力所造成的位能下降量 會大於斥力所造成的位能上升量 當堆積越密集 位能下降量越多 經過計算可以推測 陰陽離子分別形成離子對、離子正方、離子立方與離子晶體時 離子晶體是最為穩定的存在 這也與科學家在實驗上觀察到的結果互相吻合 在這裡介紹一個專有名詞──晶格能 所謂晶格能是指 當氣態的陰、陽離子結合形成固態離子晶體所釋放的能量 就如畫面所呈現出離子對、離子正方、離子立方 還有離子晶體的能量下降情形 形成連續性結構的離子晶體 會是最穩定的結構 既然離子鍵的形成與庫侖靜電引力有關 所以如果要討論離子鍵的強弱 就必須從庫侖靜電理論下手 離子鍵是由相反電荷的離子間庫侖靜電力所形成 因此離子鍵強度與該離子的電荷乘積成正比 與離子間的距離成反比 關係式如畫面所示 綜合上面的討論 我們整理了一下離子鍵強弱的判斷原則如下 離子鍵與陰、陽離子電荷的乘積成正比 離子鍵與陰、陽離子間的距離成反比 一般來說 電荷大小的影響會大於離子間距離的影響 意思就是要先考慮電荷乘積大小 再來比較離子間距離差異所造成的影響 另外一個跟離子鍵強弱有關的性質 就是離子化合物的熔、沸點高低 直觀上來說 離子鍵越強的離子晶體 熔、沸點應該越高 但這段話只有部分正確 因為我們前面討論過 離子化合物是以陰、陽離子互相堆積成離子晶體的方式存在 因此離子鍵可以存在於任何方向 也就是說 離子鍵遍布在整個離子晶體中 而不具有特定的方向性 所以當你想比較離子化合物的熔、沸點時 藉由離子化合物晶格能的大小來判斷離子鍵的強弱 會比單純考慮陰、陽離子間的吸引力大小要來得正確 因為晶格能的大小有考慮到陰、陽離子堆積的方式 講到這邊 你可能也聽到頭昏了 所幸在一般的情況下 你會遇到的 大多都是在晶體結構相同情況下進行的比較 所以你只需看著化學式 並拿出剛才比較離子鍵大小的知識來回答就可以了 最後要討論的是離子化合物 有哪些特別的性質 1.熔、沸點高 因為陰、陽離子間有很強的靜電吸引力 再加上堆積密集 所以熔、沸點高 2.晶體無延展性 陰離子與陽離子交錯相接 晶體堅硬且無延展性 3.為電解質 固態晶體不導電 但熔融態或溶於水時則可以導電 這是因為高溫或是溶於水可使晶體崩解 陰、陽離子就可以自由移動而導電 學習完離子化合物的觀念後 請你比較下列晶體的熔點高低 氟化鋰、氯化鈉、氧化鎂與氧化鈣 學習完離子鍵與離子化合物性質的觀念後 讓我們做重點整理吧 1.離子晶體是由金屬元素與非金屬元素所組成 如：氯化鈉 2.離子化合物 是連續性的結構 沒有分子的存在 因此化學式的表示法都以實驗式表示 3.離子鍵的強弱與離子化合物的熔、沸點高低的判斷 都是先考慮電荷乘積大小 乘積越大離子鍵越強 熔、沸點越高 若是電荷乘積相同再比較離子間的距離 陰、陽離子半徑和越小 離子鍵越強 熔、沸點越高 4.離子化合物的性質有 熔、沸點高、晶體無延展性、晶體不導電 但熔融態或溶於水時可以導電的性質 同學 這個單元你是否都學會了呢？ 歡迎在留言區跟我們分享你的心得吧！ 我們下次見