關(guān)于離子鍵和共價鍵的問題討論

王篤年(正高級教師)

（北京十一學(xué)校）

問題1如何理解離子鍵沒有方向性和飽和性?NaCl晶體里，每個Na＋只與6個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、陽離子相遇時，它們首先會通過靜電吸引相互靠近，但是這種靠近不是無止境的.因為兩原子核均帶正電荷，它們之間會發(fā)生排斥.同理，核外電子與核外電子之間也會發(fā)生相互排斥.隨著兩個原子核靠近，這些斥力加大，會使彼此遠(yuǎn)離并最終穩(wěn)定在一個平衡點上.所以我們說：離子鍵是陰、陽離子間通過靜電作用(而不說靜電吸引)形成的化學(xué)鍵.

在離子晶體內(nèi)，1個陽離子不會只與1個陰離子形成離子鍵，所以不存在陰、陽離子成鍵后即宣告“電荷中和”的假設(shè).試想，如果1個Na＋只與1個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，沒有原子.

由于離子在形成離子鍵后電荷不會消失，所以每個離子都會同時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價的Na＋、Cs＋，由于其離子半徑不同(確切說是與Cl－的半徑比不同)，所以在NaCl、CsCl晶體內(nèi)，陽離子的配位數(shù)不同，前者為6而后者為8.這個事實本身就說明了離子鍵既無飽和性(只要空間允許，會盡可能多地與異性電荷離子成鍵)，又無方向性(不管異性電荷離子從哪個方向靠近，均會與之作用成鍵).

問題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?

對此，有人解釋說“因為Cs＋的半徑比Na＋大，故其周圍可容納8個Cl－，而Na＋只能容納6個Cl－”.這種貌似合理的解釋其實是經(jīng)不住推敲的.按這個思路，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個半徑小的Na＋，而在CsCl晶體中反而容納了8個半徑大的Cs＋，這顯然是講不通的.

陰、陽離子按照一定的規(guī)律堆積成晶體，影響堆積方式的因素有很多.首先，同種離子一般不會緊密相接(把離子看作球形結(jié)構(gòu)，球一般不可相切)，因為這樣的話它們之間斥力太強(qiáng)，晶體不夠穩(wěn)定；其次，陰、陽離子堆積時，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，陽離子填充入陰離子堆積形成的空隙內(nèi).對于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，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＋.可能有人會說，既然CsCl晶體中Cl－可以采取簡單立方堆積，那NaCl中的Cl－為什么不可以采取一樣的簡單立方堆積呢?如前所述，若是陽離子小于空隙，那么陰離子之間的距離太近，彼此間排斥力太大，會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.

一定溫度下，對于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、陽離子的半徑之比.對此感興趣的同學(xué)，可以在課外進(jìn)行延伸性學(xué)習(xí).

問題3氟電負(fù)性極大，為何HF中H與F仍以共價鍵形式結(jié)合?

與此類似的問題還有：酸在水中完全電離為H＋和酸根離子，為什么說酸中H與酸根之間是共價鍵?

有人說，主要是因為氫元素屬于非金屬元素，非金屬元素的原子與非金屬元素的原子之間不會形成離子鍵，這個解釋很牽強(qiáng).而從共價鍵概念的本質(zhì)出發(fā)分析此問題，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，獨立的H＋是不可能穩(wěn)定存在的.H＋是一個質(zhì)子，沒有電子云，它只有“鉆到電子云里”才會穩(wěn)定.根據(jù)共價鍵模型，原子間以電子云彼此結(jié)合的狀態(tài)，就是共價狀態(tài).所以，不管H與其他原子間的電負(fù)性差多大，它們之間必然通過電子云重疊的方式結(jié)合，也就是形成共價鍵.

同樣道理，我們說酸在溶液里電離出H＋，這個H＋只是一個代號，表示的是H3O＋，因為溶液里不可能存在游離的質(zhì)子(H＋).打一個不太恰當(dāng)?shù)谋确?，一粒高速飛行的子彈(類比這個質(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，它一定會擊中其中的一只羊，并與之結(jié)合在一起才會穩(wěn)定下來.

問題4H2O能夠通過配位共價鍵結(jié)合1個H＋形成[H3O]＋，H2O的氧原子有2對孤對電子，能不能結(jié)合2個H＋形成[H4O]2＋?

簡單說，[H3O]＋已經(jīng)帶有正電荷了，它會排斥靠近的H＋.

由此引出的另一個問題：既然H2O分子中2個H是等價的，那么H2O分子為什么不會一次性電離掉2個H＋變成O2－呢?這是因為，電離過程總是一步步發(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，這時帶有正電荷的H＋再從OH－上脫離，就更加困難了.所以不是H2O不能電離出2個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的程度.