What is 離子鍵?

Question

What is 離子鍵?

Answer 1

離子鍵是化學鍵的一種，通過兩個或多個原子失去或獲得電子而成為離子後形成。此類化學鍵往往在金屬與非金屬間形成。失去電子的往往是金屬元素的原子，而獲得電子的往往是非金屬元素的原子。帶有相反電荷的離子因電磁力而相互吸引，從而形成化學鍵。離子鍵較氫鍵強，其強度與共價鍵接近。

僅當總體的能級下降的時候，反應才會發生（由化學鍵聯接的原子較自由原子有著較低的能級）。下降越多，形成的鍵越強。

現實中，原子間並不形成「純」離子鍵。所有的鍵都或多或少帶有共價鍵的成分。成鍵原子之間電平均程度越高，離子鍵成分越低。

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離子鍵的英文資料:http://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_bond

Answer 2

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化學鍵 (Chemical Bonding)
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化學鍵是分子(molecule)內使兩個原子(atom)相連在一起的吸引力(attractive forces)。 化學反應是破壞反應物的化學鍵 (bond breaking) 及形成新的化學鍵 (bond forming) 而產生生成物，所以化學鍵的改變可說是所有化學反應的基礎。 從能量 (energetics) 觀點而言，化學鍵形成時，必須放出能量，也就是說所形成之分子比原先單獨兩原子之總能量要低 (即 energetically more stable)。 化學鍵形成時所釋出的能量值，稱為該化學鍵之鍵能 (bond enthalpy)。

化學鍵可分為：共價鍵 (covalent bond)、離子鍵 (ionic bond) 及金屬鍵(metallic bond) 三大類。 共價鍵為兩原子共用電子 (share electron) 對之化學鍵，其結合原子皆為非金屬原子。 離子鍵為陽離子 (cation) 與陰離子 (anion) 間之靜電力 (electrostatic forces)，陽離子由金屬失去電子形成，陰離子由非金屬得到電子形成。 兩正負電荷之離子吸引力，稱為離子鍵。 金屬鍵為金屬原子的價電子 (valence electrons) 可以自由移動在各原子之間所造成的吸引力。 共價鍵與離子鍵的鍵能約在200~400kJ mol-1 之間，而金屬鍵的鍵能約為其三分之一。

除了上述三種化學鍵外，尚有分子間(intermolecular)的吸引力，包括氫鍵 (hydrogen bond)和偶極-偶極 (dipole-dipole) 引力，它們的作用力都比化學鍵弱，通常不被列入化學鍵。

由於原子結合時必須用到原子核外的最外層電子(outermost electrons)，最外層的電子稱為價電子(valence electron)。 價電子數等於其族數(Group number)，例如IA族鹼金屬(alkali metal)有一個價電子，而VIIA族鹵素(halogen)具有七個價電子。 週期表上同族的元素具有類似的化學性質，即因其擁有相同的價電子。

路以士(G. Lewis)認為貴氣體(noble gas)的化學性質穩定是因最外層電子已經填滿，不易得到或失去電子再與其他原子結合。 當原子進行化學反應，可利用共用電子或得失電子，傾向於變成鈍氣的電子組態，即ns2np6，此稱為八隅體規則(Octet Rule)，用以說明原子反應後價層上有八個電子最安定，氫原子反應形成化學鍵則變成氦(Helium)的電子組態(1s2)。
A 離子鍵
離子化合物(ionic compound)是由巨大數目之陽離子與陰離子相吸聚集而成。 日常生活中的食鹽(學名「氯化鈉」，NaCl)是由鈉離子(Na+)與氯離子(Cl-)組成，離子間利用相異電荷(opposite charges)之靜電力互相結合，此種正、負離子間吸引力稱為離子鍵。




離子化合物大抵由位於週期表左邊的金屬原子與位於週期表右邊的非金屬原子所組成。 然而離子化合物中的陰、陽離子亦可分別由多原子的離子(polyatomic ion)所組成。 常見的離子化合物如氫氧化鈉(NaOH)中的氫氧根離子(OH-)即由兩個原子所構成，碳酸鈉中的碳酸根離子(CO32-)是由四個原子所構成。 常見的多原子陰離子尚有硫酸根離子(SO42-)及硝酸根離子(NO3-)。而氯化銨(NH4Cl)中的銨離子(NH4+)是多原子陽離子。

B 共價鍵
當兩非金屬原子相互靠近時，由於非金屬具有高游離能(ionization enthalpy)，不易失去電子，故欲形成化學鍵必須原子共用電子對形成化學鍵，使雙方原子價軌域(orbital)的電子組態(electronic configuration)符合八隅體規則，此種共用電子對之化學鍵稱為共價鍵。

共價鍵可依共用電子對數目、極性(polarity)加以分類。 共價鍵依其共用電子對數目，可分為單鍵(single bond)、雙鍵(double bond)及參鍵(triple bond)。 單鍵為兩原子間共用一對電子，路以士(G. Lewis)符號以“─”表示，例如H─H、F─F等。 雙鍵為兩原子間共用兩對電子，路以士以“＝”表示，例如O＝O、O＝C＝O、H2C＝CH2等。 參鍵為兩原子間共用三對電子，路以士以“≡”表示，例如N≡N、C≡O、HC≡CH等。




共價鍵依其極性分類，可分為極性(polar)共價鍵和非極性(non-polar)共價鍵兩種。 如果共價鍵兩端的原子相同(例如H2、O2、N2分子) ，其共用電子對恰位於二原子中間，此種共價鍵稱為非極性共價鍵。 如果共價鍵兩端的原子不相同(例如HCl、H2O、CO等分子)，其共用電子不平均分佈於兩原子間，則鍵一端具部份負電性(δ-)，另一端具部份正電性(δ+)，此種共價鍵稱為極性共價鍵。

C 金屬鍵
金屬具有較低的游離能，其價電子容易游離(ionize)。 其價軌域(valence orbital)數目大於價電子數，故具有空價軌域 (vacant valence orbital)。 金屬的價電子可在晶體(crystal)中自由移動，不限定於任何一個原子。 價電子游動於所有原子核之間，形成電子海(electron-sea)，而電子海中的電子與金屬原子核間的吸引力即為金屬鍵。

由於價電子不會固定在特定的原子核，所以當金屬兩端外接直流電時，金屬內自由電子(free electrons)就會以固定之方向移動而造成導電現象； 或是在金屬局部受熱時，自由電子便可經由碰撞，而將熱能傳遞至金屬的每一部位。 因此，金屬通常是電或熱的良好導體(conductor)。

D 碳的鍵結形態 (Bonding Pattern of Carbon)
碳─碳單鍵 (carbon-carbon single bond)
碳(carbon)是週期表中IVA族元素，碳原子的電子組態(1s22s22p2)，其四個價電子和其他原子產生共價鍵而結合。 以甲烷(CH4) [methane] 為例，甲烷中碳原子與氫原子鍵結時，是將一個s軌域與三個p軌域混成(hybridize) 四個能量相等(degenerate)而方向不同的sp3軌域。 當四個氫原子分別提供一個電子與碳原子的四個sp3混成軌域(hybrid orbitals)中的電子結合，即形成四個相同的碳-氫單鍵。 單鍵只含有 鍵 ( bond)，通常以一畫線“─”表示。

除了氫原子鍵結形成碳一氫單鍵外，碳原子亦可與另一碳原子形成碳─碳單鍵，如乙烷(C2H6) [ethane] 的鍵結，乙烷分子中有一個碳─碳單鍵及六個相同的碳─氫單鍵。
碳─碳雙鍵 (carbon-carbon double bond)
乙烯(C2H4) [ethane] 是具有碳─碳雙鍵的最簡單有機分子。 乙烯的兩個碳原子間共同擁有4個電子，加上兩個碳─氫鍵上的4個電子，使每個碳均滿足八隅體規則。

乙烯分子中有四個碳─氫單鍵及一個碳─碳雙鍵，鍵合時每個碳原子先形成三個sp2混成軌域及一個未混成(non-hybrid)的p軌域，其中兩個sp2混成軌域分別與氫形成碳─氫單鍵，另一sp2混成軌域與另一碳的sp2混成軌域形成碳─碳單鍵，此三個單鍵皆為 鍵，另外碳原子上的2p軌域再與另一碳原子上的2p軌域平行重疊 (laterally overlap) 形成 鍵，這種鍵結原子各提供兩個電子，使碳原子間共用4個電子而形成雙鍵。








碳─碳參鍵 (carbon-carbon triple bond)
碳與碳鍵結時，兩個碳原子可以同時擁有三對的鍵結電子而形成參鍵。在乙炔(C2H2) [ethyne] 分子中，每個碳原子利用兩個sp混成軌域，分別和碳原子及氫原子形成2個 鍵，另外再以每個碳原子上的兩個未混成2p軌域平行重疊得到2個 鍵。 所以碳─碳參鍵含有l個 鍵及2個 鍵，通常以三畫線“≡”表示之。






參考資料：
http://www.chem.ccu.edu.tw/~cyhung/web-highschool-2/Chapter-b1/Chapter-b1.htm