王篤年(正高級(jí)教師)

（北京十一學(xué)校）

問(wèn)題1如何理解離子鍵沒(méi)有方向性和飽和性?NaCl晶體里，每個(gè)Na＋只與6個(gè)Cl－形成離子鍵，且彼此按照一定的方向靠近，這不是方向性和飽和性嗎?

離子鍵沒(méi)有方向性和飽和性，是從離子鍵的概念出發(fā)分析得到的結(jié)論.

離子鍵是人類較早構(gòu)建的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論.離子鍵理論認(rèn)為：當(dāng)陰、陽(yáng)離子相遇時(shí)，它們首先會(huì)通過(guò)靜電吸引相互靠近，但是這種靠近不是無(wú)止境的.因?yàn)閮稍雍司鶐д姾桑鼈冎g會(huì)發(fā)生排斥.同理，核外電子與核外電子之間也會(huì)發(fā)生相互排斥.隨著兩個(gè)原子核靠近，這些斥力加大，會(huì)使彼此遠(yuǎn)離并最終穩(wěn)定在一個(gè)平衡點(diǎn)上.所以我們說(shuō)：離子鍵是陰、陽(yáng)離子間通過(guò)靜電作用(而不說(shuō)靜電吸引)形成的化學(xué)鍵.

在離子晶體內(nèi)，1個(gè)陽(yáng)離子不會(huì)只與1個(gè)陰離子形成離子鍵，所以不存在陰、陽(yáng)離子成鍵后即宣告“電荷中和”的假設(shè).試想，如果1個(gè)Na＋只與1個(gè)Cl－發(fā)生電荷中和意味著什么?意味著Cl－把從Na原子那里奪取的電子還給了Na＋，因此它們恢復(fù)成為原本的原子狀態(tài).而我們知道，氯化鈉晶體內(nèi)只有離子，沒(méi)有原子.

由于離子在形成離子鍵后電荷不會(huì)消失，所以每個(gè)離子都會(huì)同時(shí)與距離它最近的帶有異性電荷的離子形成離子鍵.緊緊圍繞在離子周邊的異性電荷離子數(shù)，叫作該離子的配位數(shù).在一定溫度下，具體晶體內(nèi)離子的配位數(shù)是一定的，這是由離子的電荷數(shù)、半徑比等因素共同決定的，不能由此認(rèn)為離子鍵具有飽和性和方向性.比如同樣是＋1價(jià)的Na＋、Cs＋，由于其離子半徑不同(確切說(shuō)是與Cl－的半徑比不同)，所以在NaCl、CsCl晶體內(nèi)，陽(yáng)離子的配位數(shù)不同，前者為6而后者為8.這個(gè)事實(shí)本身就說(shuō)明了離子鍵既無(wú)飽和性(只要空間允許，會(huì)盡可能多地與異性電荷離子成鍵)，又無(wú)方向性(不管異性電荷離子從哪個(gè)方向靠近，均會(huì)與之作用成鍵).

問(wèn)題2Na和Cs同是ⅠA族元素，為什么NaCl和CsCl晶體的堆積方式不一樣?

對(duì)此，有人解釋說(shuō)“因?yàn)镃s＋的半徑比Na＋大，故其周圍可容納8個(gè)Cl－，而Na＋只能容納6個(gè)Cl－”.這種貌似合理的解釋其實(shí)是經(jīng)不住推敲的.按這個(gè)思路，如果我們從相反的方向思考，Cl－的半徑是一定的，在NaCl晶體內(nèi)其周圍容納了6個(gè)半徑小的Na＋，而在CsCl晶體中反而容納了8個(gè)半徑大的Cs＋，這顯然是講不通的.

陰、陽(yáng)離子按照一定的規(guī)律堆積成晶體，影響堆積方式的因素有很多.首先，同種離子一般不會(huì)緊密相接(把離子看作球形結(jié)構(gòu)，球一般不可相切)，因?yàn)檫@樣的話它們之間斥力太強(qiáng)，晶體不夠穩(wěn)定；其次，陰、陽(yáng)離子堆積時(shí)，空間利用率應(yīng)該盡可能地高，這樣也有利于晶體的穩(wěn)定.

一般的離子晶體中，陰離子半徑較大，通?？紤]陰離子采取一定的堆積方式，陽(yáng)離子填充入陰離子堆積形成的空隙內(nèi).對(duì)于NaCl而言，Cl－本身取面心立方堆積形式，Na＋填入八面體空隙(這樣一來(lái)，Na＋本身也呈面心立方堆積方式)，這樣的堆積方式就是空間利用率最高的.而Cs＋半徑過(guò)大，若是Cl－依然取面心立方堆積，則其八面體空隙不夠大，難以容下Cs＋，于是Cl－取簡(jiǎn)單立方堆積形式，形成更大的立方體空隙以容納Cs＋.可能有人會(huì)說(shuō)，既然CsCl晶體中Cl－可以采取簡(jiǎn)單立方堆積，那NaCl中的Cl－為什么不可以采取一樣的簡(jiǎn)單立方堆積呢?如前所述，若是陽(yáng)離子小于空隙，那么陰離子之間的距離太近，彼此間排斥力太大，會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.

一定溫度下，對(duì)于AB型離子晶體而言，陰離子具體以怎樣的方式堆積，主要取決于陰、陽(yáng)離子的半徑之比.對(duì)此感興趣的同學(xué)，可以在課外進(jìn)行延伸性學(xué)習(xí).

問(wèn)題3氟電負(fù)性極大，為何HF中H與F仍以共價(jià)鍵形式結(jié)合?

與此類似的問(wèn)題還有：酸在水中完全電離為H＋和酸根離子，為什么說(shuō)酸中H與酸根之間是共價(jià)鍵?

有人說(shuō)，主要是因?yàn)闅湓貙儆诜墙饘僭?，非金屬元素的原子與非金屬元素的原子之間不會(huì)形成離子鍵，這個(gè)解釋很牽強(qiáng).而從共價(jià)鍵概念的本質(zhì)出發(fā)分析此問(wèn)題，容易得出比較合理的答案.

盡管我們總是用H＋表示氫離子，但在化學(xué)的視野里，獨(dú)立的H＋是不可能穩(wěn)定存在的.H＋是一個(gè)質(zhì)子，沒(méi)有電子云，它只有“鉆到電子云里”才會(huì)穩(wěn)定.根據(jù)共價(jià)鍵模型，原子間以電子云彼此結(jié)合的狀態(tài)，就是共價(jià)狀態(tài).所以，不管H與其他原子間的電負(fù)性差多大，它們之間必然通過(guò)電子云重疊的方式結(jié)合，也就是形成共價(jià)鍵.

同樣道理，我們說(shuō)酸在溶液里電離出H＋，這個(gè)H＋只是一個(gè)代號(hào)，表示的是H3O＋，因?yàn)槿芤豪锊豢赡艽嬖谟坞x的質(zhì)子(H＋).打一個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确?，一粒高速飛行的子彈(類比這個(gè)質(zhì)子)，是不可能穿梭于熙熙攘攘的羊群(類比有電子云的分子或離子)之中的，它一定會(huì)擊中其中的一只羊，并與之結(jié)合在一起才會(huì)穩(wěn)定下來(lái).

問(wèn)題4H2O能夠通過(guò)配位共價(jià)鍵結(jié)合1個(gè)H＋形成[H3O]＋，H2O的氧原子有2對(duì)孤對(duì)電子，能不能結(jié)合2個(gè)H＋形成[H4O]2＋?

簡(jiǎn)單說(shuō)，[H3O]＋已經(jīng)帶有正電荷了，它會(huì)排斥靠近的H＋.

由此引出的另一個(gè)問(wèn)題：既然H2O分子中2個(gè)H是等價(jià)的，那么H2O分子為什么不會(huì)一次性電離掉2個(gè)H＋變成O2－呢?這是因?yàn)?，電離過(guò)程總是一步步發(fā)生的，當(dāng)H2O分子發(fā)生第一步電離變?yōu)镺H－后，OH－帶有負(fù)電荷，這時(shí)帶有正電荷的H＋再?gòu)腛H－上脫離，就更加困難了.所以不是H2O不能電離出2個(gè)H＋，是這種可能性太小，故水中O2－濃度極低，低到可以完全忽略不計(jì)的程度.