離子化合物簡(jiǎn)介

離子化合物簡(jiǎn)介

離子化合物，是由陰離子(Anion，帶負(fù)電)和陽離子(Cation，帶正電)組成，以本質(zhì)上是庫侖力的離子鍵相結(jié)合的化合物。離子化合物通常熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，熔融時(shí)或電離產(chǎn)生其組成離子的水溶液中時(shí)能導(dǎo)電。

離子化合物的定義

　　象NaCl、Kl些物質(zhì)，在化學(xué)上稱為離子化合物。這類物質(zhì)包括大多數(shù)的無機(jī)鹽類和許多金屬氧化物。它們的特征是:在通常情況下，大多數(shù)是晶體。它們的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很高，熔化時(shí)能導(dǎo)電，有的離子化合物能溶于水中，其水溶液也能導(dǎo)電。

　　導(dǎo)電性是它們的重要特征。為什么這些物質(zhì)在熔融狀態(tài)或水溶液中能導(dǎo)電呢?根據(jù)近代的觀點(diǎn)，認(rèn)為這些物質(zhì)中都包含兩種電荷相反的離子——正離子和負(fù)離子。如在氯化鈉晶體內(nèi)，就有氯離子(Cl^-)和鈉離子(Na⁺)。這種由正離子和負(fù)離子組成的物質(zhì)稱為離子化合物。

　　1916年柯塞爾提出下列的觀點(diǎn)，認(rèn)為元素在形成化合物時(shí)可以失去或獲得電子，以使達(dá)到穩(wěn)定的惰性氣體結(jié)構(gòu)。例如鈉原子的電子排列為2、8、1，它就有失去一個(gè)電子的傾向，而變成2、8的電子排列，即是氖的電子排列。氯原子的電子排列為2、8、7，它就有獲得一個(gè)電子的傾向，而變成2、8、8的電子排列，即是氬的電子排列。

　　柯塞爾認(rèn)為各元素都有達(dá)到Z穩(wěn)定的電子排列的傾向，而這個(gè)傾向就是促使原子化合的動(dòng)力。依據(jù)柯塞爾的意見，金屬元素有失去電子的傾向，非金屬元素有獲得電子的傾向。金屬原子失去電子后就成為正離子，非金屬原子獲得電子后就成為負(fù)離子，正、負(fù)離子借靜電引力而形成離子化合物。

離子化合物的特點(diǎn)

　　我們用化學(xué)鍵這個(gè)名詞來表示在形成化合物時(shí)原子與原子間的化合力。在離子化合物中正離子和負(fù)離子之間存在著強(qiáng)大的靜電引力，通過這種靜電引力將正、負(fù)離子結(jié)合起來的化學(xué)鍵稱為離子鍵。借離子鍵結(jié)合而成的化合物就是離子化合物。

　　離子鍵的一個(gè)特點(diǎn)是沒有方向性。離子是一個(gè)獨(dú)立存在的質(zhì)點(diǎn)，又是帶有一定電荷的球體，它在各個(gè)方向上的靜電效應(yīng)是等同的，因此只要離子空間許可，每一個(gè)離子就有可能吸引盡量多的相反離子。

　　離子鍵的另一個(gè)特點(diǎn)是沒有飽和性。但這里不要誤解，以為既然沒有飽和性，則一種離子周圍所配位的相反離子的數(shù)目就可以任意的，恰恰相反，在晶體中侮種離子都有一定的配位數(shù)。例如，在NaCl晶體中，Na⁺離子和Cl^-離子的配位數(shù)都是6，即是在每一個(gè)Na⁺離子的周圍有6個(gè)Cl^-離子，對(duì)Cl^-離子來說，也是如此。這個(gè)配位數(shù)的多少?zèng)Q定于正離子和負(fù)離子的半徑比值r₊/r_-，半徑比值越大，配位數(shù)越大。如在CsCl晶體中，配位數(shù)等于8。

　　當(dāng)正離子和負(fù)離子在空間借離子鍵而相互結(jié)合時(shí)，它們就以密堆積的方式，使正離子和負(fù)離子交替作有規(guī)則的排列，這樣就形成離子晶體。

　　在離子晶體中，正離子和負(fù)離子占據(jù)在晶體的晶格上，并在晶格上作有規(guī)則的振動(dòng)。正離子和負(fù)離子之間保持著Z短的距離，這表示它們之間的吸引力和排斥力達(dá)到均衡。由于各種正、負(fù)離子的大小不同，其配位數(shù)就不同，離子晶體內(nèi)正、負(fù)離子的空間排布也不同，因此可以得到不同類型的離子晶休。

　　離子晶休是由正、負(fù)離子按一定的幾何形狀，以密堆積的方式排列而成的，這些正、負(fù)離子占據(jù)在晶體的晶格上，由于正、負(fù)離子間的作用力較大，它們的晶格能就較大，需要較高的能量才能破壞它們的晶格，因此它們的熔沸點(diǎn)都很高。

　　當(dāng)離子晶體溶于水時(shí)，由于水分子的作用，削弱了正、負(fù)離子間的作用力，而這些正、負(fù)離子又以水合離子的形式進(jìn)入水中。不論是水溶液或者熔融狀態(tài)，都存在著正、負(fù)離子，而這些正、負(fù)離子之間的作用力要比晶體狀態(tài)時(shí)小得多，因此當(dāng)通電時(shí)就產(chǎn)生導(dǎo)電現(xiàn)象。

　　正、負(fù)離子是離子晶體中的基本質(zhì)點(diǎn)，因此離子的一些特征(大小、電荷、電子構(gòu)型)也影響著離子化合物的性質(zhì)。

　　1、離子半徑

　　它是決定離子間作用力的重要因素，離子半徑越小，離子間的作用力就越大，也即晶格能越大，拆開它們所需要的能量就越多，因此熔點(diǎn)就越高。從下表所列的例子中明顯地反映出這種關(guān)系。

　　2、離子電荷

　　它對(duì)離子間的作用力同樣也有重要的影響。離子電荷高的，對(duì)相反電荷的離子吸引力大，因此熔點(diǎn)就很高。CaO的熔點(diǎn)(2590℃)比KF的(587℃)高，就是一個(gè)很好的例證。

　　3、離子的電子構(gòu)型

　　它對(duì)離子化合物的性質(zhì)有一定的影響。例如，堿金屬和銅分族都同屬于第Ⅰ族，都能形成+1價(jià)離子，但由于它們的電子構(gòu)型不同，前者為8電子殼，后者為18電子殼，化合物的性質(zhì)就顯出差別。例如，KCl、NaCl易溶于水，而Cu₂Cl₂、AgCl就幾乎不溶于水。

離子化合物溶解性

　　一、離子化合物的溶解過程

　　離子化合物的溶解過程可以看作分為兩步來完成。

　　diyi步為離子晶體中的正離子和負(fù)離子克服離子之間的相互作用，從晶格中解離下來變成氣態(tài)的正離子和氣態(tài)的負(fù)離子的過程，即晶格升華的過程，該過程是一吸熱過程。

　　第二步為氣態(tài)的正離子和氣態(tài)的負(fù)離子和極性的水分子形成水合的正離子和水合的負(fù)離子的過程，即離子水合的過程，該過程是一放熱過程。

　　二、影響離子化合物溶解性的因素

　　1、熱力學(xué)因素

　　可根據(jù)溶解標(biāo)準(zhǔn)自有能變來討論離子化合物溶解能力的大小。若溶解標(biāo)準(zhǔn)自有能變?yōu)檎担芙膺^程不能自發(fā)進(jìn)行，則該離子化合物不易溶于水;若溶解標(biāo)準(zhǔn)自有能變?yōu)樨?fù)值，溶解過程可以自發(fā)進(jìn)行，則該離子化合物易溶于水。根據(jù)公式ΔsG⁰=ΔsH⁰-TΔsS⁰可以看出，溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變?chǔ)G⁰是由溶解標(biāo)準(zhǔn)焓變?chǔ)H⁰和溶解標(biāo)準(zhǔn)熵變?chǔ)S⁰兩部分共同決定的。

　　2、溫度

　　離子化合物在水中溶解能力的大小除受熱力學(xué)因素影響外，溫度對(duì)其溶解能力的影響也是較大的。溫度對(duì)離子化合物溶解能力大小的影響和其溶解過程中的熱量變化有一定的關(guān)系。如果溶解過程是一吸熱過程，則隨著溫度的升高，離子化合物的溶解度將會(huì)逐漸的增加;如果溶解過程是一放熱過程，則隨著溫度的升高，離子化合物的溶解度將會(huì)逐漸的減小。

　　隨著溫度的升高，大多數(shù)離子化合物(如Na₂CO₃、NH₄NO₃)在水中的溶解度將會(huì)逐漸的增加。隨著溫度的升高，少數(shù)離子化合物(如NaCl)在水中的溶解度變化程度比較小。隨著溫度的升高，個(gè)別離子化合物(如Ca(OH)₂)在水中的溶解度將會(huì)逐漸的減少。

　　3、極化作用力

　　離子之間的極化作用也是影響離子化合物溶解性的一個(gè)很主要的因素。假如正離子和負(fù)離子形成化合物時(shí)，正離子和負(fù)離子之間沒有極化作用，其間的化學(xué)鍵屬于純的離子鍵，則該離子化合物易溶解。但若離子之間存在著極化作用，極化作用越強(qiáng)，鍵的共價(jià)成分就越多，從而使離子鍵向共價(jià)鍵過渡，致使化合物溶解度減小。極化作用的強(qiáng)弱與正負(fù)離子的半徑、所帶的電荷及電子構(gòu)型有關(guān)。

　　三、離子化合物溶解性的判斷方法

　　1、溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變

　　溶解過程的標(biāo)準(zhǔn)自由能變可以判斷離子化合物溶解的難易程度。根據(jù)公式ΔsG⁰=ΔsH⁰-TΔsS⁰可知，因溫度恒為正值，所以溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變的值是正值還是負(fù)值由溶解焓變和溶解熵變兩項(xiàng)值的大小共同決定。溶解焓變和溶解熵變可以取正值也可以取負(fù)值，故決定溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變的值是正值還是負(fù)值，可分為四種情況：

　?、佼?dāng)溶解焓變?yōu)檎担芙忪刈優(yōu)樨?fù)值時(shí)，溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變恒為正值，溶解過程不能自發(fā)的進(jìn)行，則該類離子化合物不易溶解。

　?、诋?dāng)溶解焓變?yōu)樨?fù)值，溶解熵變?yōu)檎禃r(shí)，溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變恒為負(fù)值，溶解過程可以自發(fā)的進(jìn)行，則該類離子化合物易溶解。

　　③當(dāng)溶解焓變和溶解熵變都為負(fù)值時(shí)，溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變的值可能為正值也可能為負(fù)值，只有當(dāng)ΔsH⁰>TΔsS⁰時(shí)，則該類離子化合物易溶解。

　?、墚?dāng)溶解焓變和溶解熵變都為正值時(shí)，溶解標(biāo)準(zhǔn)自由能變的值可能為正值也可能為負(fù)值，若ΔsH⁰<TΔsS⁰時(shí)，則該類離子化合物可溶解，且溫度越高越有利于其溶解。由公式ΔsG⁰=ΔsH⁰-TΔsS⁰，若已知離子化合物在某一溫度下ΔsH⁰、ΔsS⁰的值，求出ΔsG⁰的值，進(jìn)而對(duì)其溶解性進(jìn)行判斷。

　　2、無機(jī)含氧酸鹽的溶解性定量計(jì)算方法

　　如果不考慮外界因素(溫度、壓力等)的影響，無機(jī)含氧酸鹽溶解的難易程度主要由以下兩方面因素決定：

　?、倥c無機(jī)含氧酸根離子所帶的電荷數(shù)有關(guān)，而無機(jī)含氧酸根離子所帶的電荷數(shù)又和無機(jī)含氧酸根離子中所含氧原子的個(gè)數(shù)有關(guān)。而每個(gè)氧原子與成酸原子成鍵的方式又不是完全一樣的，如果從其平均作用來考慮，每個(gè)氧原子所帶的平均電荷數(shù)越少，對(duì)正離子的引力越弱，故該無機(jī)含氧酸根離子和某一特定的正離子溶解度越大。

　?、谂c無機(jī)含氧酸根中氧原子和成酸原子的電負(fù)性差值有關(guān)。在無機(jī)含氧酸根離子中，氧原子與成酸原子之間的電負(fù)性差越小，氧原子把成酸原子的電子云拉向氧原子的能力就越小，使氧原子所帶的負(fù)電荷較少，從而導(dǎo)致無機(jī)含氧酸根離子對(duì)正離子的引力減弱，其鹽的溶解性增大。

　　通過以上分析我們可以得到一個(gè)無機(jī)含氧酸鹽溶解性的定量計(jì)算公式：

　　其中S₁代表的是溶解性參數(shù)，Z代表的是無機(jī)含氧酸根離子所帶的電荷數(shù)，Δx代表的是氧原子和成酸原子的電負(fù)性差值，A代表的是無機(jī)含氧酸根離子中所包含氧原子的個(gè)數(shù)，K₁、K₂為比例常數(shù)。

　　四、離子化合物溶解性的一般規(guī)律

　　到目前為止還沒有比較好的理論來說明離子化合物溶解性問題，人們也沒有找到比較完整的規(guī)律來概括其溶解性問題，只有通過做大量的實(shí)驗(yàn)從中總結(jié)出一些化合物溶解性的一般規(guī)律。

　?、侔霃酱?、所帶電荷少的離子所形成的離子化合物易溶解。

　?、谡x子和負(fù)離子半徑相差較大的離子化合物，其溶解度較大;正離子和負(fù)離子半徑相差較小的離子化合物，其溶解度較小。故對(duì)于同一類型離子化合物來說，正離子和負(fù)離子半徑相差大的離子化合物比相差小的易溶解。

　?、蹣O化作用強(qiáng)，變形性大的離子所組成的化合物一般難溶解。

離子化合物顏色成因

　　物質(zhì)若能使可見光(波長(zhǎng)400～730nm)通過，則本身無色透明;若能很好地反射可見光中的一切光，則為白色;若能完全吸收可見光中的一切光，則為黑色;若選擇地吸收可見光中的某一部分光，而把其余部分的光透過或散射出來。人們?nèi)庋劭吹降木褪沁@部分物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色，也就是吸收那部分光的互補(bǔ)色。例如某種離子化合物吸收了藍(lán)綠色光，而透過的是紫色和紅色光，這種離子化合物就呈現(xiàn)紫紅色。

　　物質(zhì)吸收可見光時(shí)，電子就從能量較低的軌道跳到能量較高的軌道，如d-d軌道躍遷，軌道間的能量差△E與光的頻率ν的關(guān)系是：

　　△E=hν=hc/λ

　　式中h是Planck常數(shù);c為光速;ν為頻率;λ為波長(zhǎng)。

　　物質(zhì)能量差△E等于物質(zhì)吸收可見光中的部分或一切光時(shí)(吸收光的頻率為ν)，就呈現(xiàn)一定顏色(吸收光的互補(bǔ)色);能量差△E越小，呈現(xiàn)的顏色越深;能量差△E大于可見光能量的上限，或小于可見光能量的下限，就不呈現(xiàn)顏色。

　　影響離子化合物顏色的因素很多，其中組成離子化合物的離子間的極化作用的大小對(duì)物質(zhì)的顏色影響Z為明顯，因?yàn)闃O化之后，電子能級(jí)改變，致使△E能量差變小，所以只要吸收可見光部分的能量即可引起激發(fā)，從而呈現(xiàn)出顏色，極化作用越強(qiáng)，△E能量差越小，物質(zhì)吸收可見光中的波長(zhǎng)越大，化合物的顏色就越深(但在波長(zhǎng)580～700nm范圍內(nèi)，出現(xiàn)反常，波長(zhǎng)增大，化合物的顏色變淺)。

　　這三組化合物從左到右，極化作用是增大的，所以化合物顏色變深。

　　除了離子間的極化作用因素之外，離子的電子層結(jié)構(gòu)對(duì)離子化合物顏色的影響也不小。從離子的電子層結(jié)構(gòu)來看：不含未成對(duì)電子的離子，即8電子外層、18電子外層、(18+2)電子外層的離子，都沒有顏色，如Na⁺(8電子外層)，Zn²⁺(18電子外層)，Pb²⁺(18+2電子外層)。具有不規(guī)則外層的離子，如Fe³⁺、Co²⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、鑭系和錒系元素的許多離子則有顏色。

　　這是由于在這些離子中有未成對(duì)的d或f電子，激發(fā)這種電子所需要的能量較小，可發(fā)生d-d或f-f躍遷，對(duì)于電子構(gòu)型不飽滿(即d軌道沒有充滿。都有未成對(duì)的d電子)的金屬離子，在吸收了一部分光能后，就可以使d電子從低能級(jí)的d軌道向高能級(jí)的d軌道躍遷。這種躍遷稱為d-d躍遷。其能量差一般在10000～30000cm范圍。由于吸收光的波長(zhǎng)在可見光范圍以內(nèi)，所以呈現(xiàn)一定的顏色。

　　兩種無色的離子有可能形成有色的化合物，例如PbI₂，雖然Pb²⁺和I^-離子都無色，PbI₂卻是黃色的。這可以用離子極化作用來解釋。化合物中正離子的極化力較強(qiáng)或負(fù)離子的變形性較大，都會(huì)使化合物呈現(xiàn)顏色。例如，S^2-離子的變形性比O^2-離子大，因此硫化物的顏色一般總要比相應(yīng)的氧化物深。又如，具有相同電子結(jié)構(gòu)的K⁺、Ca²⁺、Sc³⁺、Ti⁴⁺、V⁵⁺、Mn⁷⁺的氧化物的顏色隨著正離子電荷的增加而加深，這是因?yàn)檎姾稍蕉啵x子的極化力越強(qiáng)。

　　物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色還與其它因素有關(guān)。如，溫度升高，軌道間的能量差△E趨于零，化合物的顏色變深。室溫時(shí)是淺黃色的AgI，在低溫時(shí)是白色的，而在高溫則呈洋紅色。又如，物質(zhì)的顆粒大小不同，對(duì)不同波長(zhǎng)的光的散射能力不同，呈現(xiàn)的顏色也不同。鉑片是灰白色的，分散度極高的鉑則是黑色的，因此叫做鉑黑。

　　對(duì)于某些具有顏色的含氧酸根離子，如VO₄^3-(淡黃色)，CrO₄^2-(黃色)，MnO₄^-(紫色)等，它們的顏色被認(rèn)為是電荷遷移引起的。V(Ⅴ)，Cr(Ⅵ)，Mn(Ⅶ)它們都為d⁰電子構(gòu)型，沒有d電子，均有較強(qiáng)的奪取電子的能力，不可能發(fā)生d-d躍遷，它們的顏色是因強(qiáng)吸收(常發(fā)生在紫外區(qū))，這些酸根離子吸收了一部分能量后，氧陰離子的電荷會(huì)向金屬離子遷移，伴隨電荷遷移，這些離子呈現(xiàn)不同的顏色。