第八章 化学键.doc免费

第八章 化 学 键 在第六章里我们曾描述了单个气态原子的电子构型。通常这样的原子在化学上是不稳定的。当它们互相接近时就要发生反应。起反应后，由于化学键的形成，它们的构型发生了变化。在这一章我们将讨论两种化学键的形成过程： 1、电子从一个原子转移到另一个原子，形成正离子和负离子。当钠原子和氯原子互相接触时，它们剧烈地反应形成Na+和Cl－离子。这两种离子是构成普通食盐NaCl的基本结构单元。它们靠叫做离子键的强烈的静电引力结合在一起。 2、原子共享电子形成分子。一个实例是由两个氯原子形成Cl2分子——单质氯的基本结构单元。将原子结合在一起成为分子的这种强作用力叫做共价键。 参与形成离子键或共价键的电子通常是那些位于外层未充满能级上的电子。试比较Na与Cl原子和相应的Na+与Cl－离子的构型： 11Na(1s22s22p63s1) → 11Na+(1s22s22p6)+e－ 17Cl(1s22s22p63s23p5)+e－ → 17Cl－(1s22s22p63s23p6) 在这两种情况下，都只有处在第三主能层的电子参与电子的转移，而处在内层（n=2或n=1）的电子不受影响，这一点解释了第七章的观测结果：决定元素化学性质的只是外围电子构型。 当原子相互作用形成离子或分子时，有获得特殊稳定构型的倾向。其中最重要的是惰性气体结构（ns2np6）。注意，Na+离子及Cl－离子二者均具有这种构型，通常称作八隅体结构。 8.1 离子键 电负性差别大的原子容易通过电子的转移形成带相反电荷的离子。在化合物中，典型的离子键由电离能低的金属（1A、2A族或过渡金属）与电负性高的非金属（6A、7A族）起反应而形成。这种反应的一个例子是当金属钠暴露在氯气中发生的反应： Na(s)+1/2Cl2(g) → NaCl(s) (8.1) 产物氯化钠具有离子型化合物的物理特性。它是一种高熔点的固体（熔点800℃），并且在熔融状态或在水溶液中，Na+离子及Cl－离子能自由移动，所以也是电的良导体。 由单质形成离子型固体总是一个放热过程。例如在反应8.1中，每生成一摩尔NaCl就要释放出411kJ的热，这一点在很大程度上反应了氯化钠的稳定性。为了了解能量从何而来，让我们设想该反应可能具有的三步机理： （1）在25℃及1atm下，由稳定态的单质转变成气态原子： Na(s)+1/2Cl2(g) →Na(g)+Cl(g)；△H1=+230kJ 如所预料，这一步反应是吸热的。它必须吸收足够的能量以打破金属钠中使钠原子结合在一起的键，以及Cl2分子中使氯原子结合在一起的键。 （2）气态原子间发生电子转移形成离子。 Na(g)+Cl(g)→Na+(g)+Cl－(g)；△H2=+130kJ 有意思的是，这一步反应也是吸热的。从一摩尔钠原子上取走电子所必须吸收的能量（△H=+494kJ/mol）超过氯原子结合这些电子时所释放的能量（△H=－364kJ/mol）。 （3）气态离子结合形成离子型固体。 Na+(g)+Cl－(g)→NaCl(s)；△H3=－771kJ 由于带相反电荷离子间强烈的静电引力，所以这是一个高度放热的过程。离子键之所以牢固正是此反应高度放热。 反应8.1的△H值，按Hess定律，为每一步焓变的总和： △H = △H1+△H2+△H3 = 230kJ+130kJ－771kJ = －441kJ 从这个分析中我们看到整个反应之所以放出能量是由于最后一步反应的放热性质。由气态离子形成晶格的这种焓变叫做晶格能。 对于任何离子型固体的形成，都可以运用刚才所描述的型式进行分析。尽管各种焓变的大小随着原子及离子的性质而不同，但符号总是一样的。第一步及第二步都是吸热的。晶格能△H3则往往是很大的负值，结果使整个反应变成放热，同时使离子型化合物稳定。 单原子离子：电荷及电子构型 许多正离子（阳离子）和负离子（阴离子）都具有惰气构型。这个事实反映了这种电子结构的高度稳定性。如表8.1所示。 表8.1 具有惰气构型的离子 1A 2A 3B 3A 4A 5A 6A 7A Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+ Be2+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ Sc3+ Y3+ La3+ Al3+ N3－ O2－ S2－ Se2－ Te2－H－ F－ Cl－ Br－ I－由于事实上不可能得到仅由一种离子组成的物质试样，给离子半径的测定造成了困难。由X—射线研究（第十一章），我们可以求得相互接触的离子间的距离。对大多数离子型晶体（其中正、负离子处于接触状态）来说，这个距离乃是两个离子半径之和，即： d=阳离子半径+阴离子半径 如果没有更多的数据，则不可能确定核间距应在两离子间如何分开。 摆脱这个困境的一个方法是用X—射线测定阴离子互相接触的晶体。碘化锂就是一种