# 离子键

> Edexcel 国际GCSE 化学 · 4CH1 2017
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-ionic-bonding/

本指南覆盖Edexcel IGCSE 4CH1考纲中离子键的全部核心内容，包括离子形成、化学式书写、点叉图绘制和离子化合物性质，配套符合考试要求的完整例题解析。

**先修:** [原子结构与电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-atomic-structure/); [元素周期表族的变化规律](https://www.owlsprep.com/zh/study/edexcel-igcse-chemistry-s1-periodic-table/)

## 学习目标

- 解释金属失电子、非金属得电子形成离子的过程
- 熟记常见主族元素、过渡金属和多原子离子的正确电荷
- 写出离子化合物的电荷平衡、整体电中性的化学式
- 绘制主族元素形成的离子化合物的规范点叉图
- 将离子键定义为带相反电荷离子之间的静电吸引力
- 解释巨型离子晶格的熔沸点和导电性相关性质

## 离子形成与常见离子电荷

原子得失电子以达到满外层电子排布（稳定的稀有气体构型）时就会形成离子。金属失去电子形成带正电的阳离子，非金属得到电子形成带负电的阴离子。

**离子** — 原子失去或得到一个或多个电子后形成的带电粒子

对于主族元素，离子电荷可以根据其族序数预测：第1族→+1，第2族→+2，第3族→+3，第5族→-3，第6族→-2，第7族→-1。过渡金属离子电荷（$Ag^+$、$Cu^{2+}$、$Fe^{2+}$、$Fe^{3+}$、$Pb^{2+}$、$Zn^{2+}$）和多原子离子电荷（$H^+$、$OH^-$、$NH_4^+$、$CO_3^{2-}$、$NO_3^-$、$SO_4^{2-}$）需要单独记忆。

**例题:** 预测以下元素形成的离子的电荷：(a) 镁（第2族），(b) 硫（第6族），(c) 银。

1. 第2族金属失去2个外层电子形成满外层结构，因此镁离子带+2电荷：$Mg^{2+}$
2. 第6族非金属得到2个电子形成满外层结构，因此硫离子带-2电荷：$S^{2-}$
3. 银离子的电荷是要求记忆的考点，因此银离子带+1电荷：$Ag^+$

**概念自测**

1. 铝离子（第3族）的电荷是多少？

   *解析:* 第3族金属失去3个外层电子，形成带3个正电荷的离子。

2. 碳酸根离子的电荷是多少？

   *解析:* 碳酸根是带固定2个负电荷的多原子离子，需要记忆。

## 书写电中性离子化合物化学式

离子化合物整体呈电中性，因此阳离子的总正电荷必须等于阴离子的总负电荷。使用系数平衡电荷，当化学式中需要多个相同的多原子离子时，要将该多原子离子用括号括起来。

**多原子离子** — 由两个或多个通过共价键结合的原子构成的带电粒子

**例题:** 写出以下两种物质的化学式：(a) 氧化铝，(b) 硫酸铵。

1. 对于氧化铝：确定离子电荷：$Al^{3+}$（第3族）和$O^{2-}$（第6族）。3和2的最小公倍数是6，因此需要2个$Al^{3+}$离子（总正电荷+6）和3个$O^{2-}$离子（总负电荷-6），化学式为$Al_2O_3$。
2. 对于硫酸铵：确定离子电荷：$NH_4^+$（多原子离子）和$SO_4^{2-}$（多原子离子）。需要2个$NH_4^+$离子来平衡1个硫酸根离子的2个负电荷，由于铵根是带系数的多原子离子，需要用括号括起来，化学式为$(NH_4)_2SO_4$。

> **tip**
>
> 写完化学式后务必再次核对总正电荷等于总负电荷，避免常见的配平错误。

## 离子化合物的点叉图

点叉图展示金属和非金属之间的电子转移过程，用于生成离子化合物。图中仅绘制最外层电子，一种元素的电子用点表示，另一种元素的电子用叉表示。生成的每个离子都要用方括号括起来，整体电荷标注在括号外的右上角。

**离子点叉图** — 展示原子之间最外层电子转移形成带相反电荷离子的示意图，不同原子的电子用点和叉区分。

**例题:** 绘制氯化镁（$MgCl_2$）形成过程的点叉图。

1. 画出1个镁原子的最外层电子层（2个外层电子，用点表示）和2个氯原子的最外层电子层（每个氯原子7个外层电子，用叉表示）。
2. 画出镁原子失去全部2个外层电子，分别转移到2个氯原子上的过程。
3. 画出生成的离子：$Mg^{2+}$的最外层为空，放在方括号内，括号外标注+2电荷；每个$Cl^-$离子的最外层有8个电子（7个叉+1个点），放在方括号内，括号外标注-1电荷。

> **warning**
>
> 点叉图中离子周围的方括号和电荷标注绝对不能省略，这是考试拿满分的必要得分点。

## 离子键与巨型离子晶格的性质

离子键是带相反电荷的离子之间的强静电吸引力，它将离子结合在一起形成规则的三维结构，称为巨型离子晶格。

**巨型离子晶格** — 由强离子键结合在一起的、带相反电荷离子构成的规则三维排列结构

巨型离子晶格的熔沸点很高，因为带相反电荷离子之间的强静电作用力需要大量热能才能克服。固态离子化合物不导电，因为离子在晶格中位置固定，无法移动来传递电荷。当离子化合物熔融（熔化）或溶于水（水溶液）时，离子可以自由移动，因此化合物可以导电。

**例题:** 解释为什么氯化钠的熔点为801°C。

1. 氯化钠是由$Na^+$和$Cl^-$离子构成的巨型离子晶格。
2. 带相反电荷的离子之间存在强静电吸引力。
3. 需要大量热能才能克服这些强作用力，因此氯化钠的熔点很高。

**考试命令词**

- **Explain high melting point of ionic compound** — 你必须将性质与带相反电荷离子之间的强静电作用力关联起来，说明克服这些作用力需要大量能量。 *(氧化镁中$Mg^{2+}$和$O^{2-}$离子之间存在强静电作用力，需要大量能量才能破坏，因此氧化镁的熔点很高。)*

- **Write ionic formula** — 确保总电荷为零，当化学式中需要多个相同多原子离子时，用括号将多原子离子括起来。 *(氢氧化钙的化学式是$Ca(OH)_2$，而不是$CaOH_2$。)*

## 常见错误

- **错误做法:** 带系数的多原子离子忘记加括号，例如将$(NH_4)_2SO_4$写成$NH_42SO_4$
  - 原因: 省略括号会错误地表示只有多原子离子的最后一个原子被乘以系数，生成无效的化学式。
  - 正确做法: 当需要多个相同的多原子离子来平衡电荷时，始终将该多原子离子用括号括起来。
- **错误做法:** 绘制点叉图时，离子周围没有画方括号和标注电荷
  - 原因: 这无法体现电子是转移（而非共享）的，也无法说明生成的粒子是带电的。
  - 正确做法: 将每个离子都放在方括号内，整体电荷标注在括号外的右上角。
- **错误做法:** 声称固态离子化合物可以导电
  - 原因: 固态巨型晶格中的离子位置固定，无法移动来传递电荷。
  - 正确做法: 仅说明离子化合物在熔融状态或溶于水时可以导电，这两种状态下离子可以自由移动。
- **错误做法:** 为了配平化学式而修改离子的电荷，而非调整离子的数量
  - 原因: 特定离子的电荷是固定的，不能随意更改。
  - 正确做法: 调整每种离子的数量，直到总正电荷等于总负电荷。
- **错误做法:** 过渡金属或多原子离子的电荷使用错误
  - 原因: 这些电荷无法从元素周期表推导，必须自行记忆。
  - 正确做法: 熟记考纲列出的所有要求掌握的离子电荷，避免这类常见错误。

## 速查表

| 离子类别 | 离子示例 | 电荷 | 化学式示例 |
| --- | --- | --- | --- |
| 第1族金属 | $Li^+, Na^+, K^+$ | +1 | $NaCl$ |
| 第2族金属 | $Mg^{2+}, Ca^{2+}$ | +2 | $MgO$ |
| 第3族金属 | $Al^{3+}$ | +3 | $Al_2O_3$ |
| 第7族非金属 | $F^-, Cl^-, Br^-$ | -1 | $KBr$ |
| 第6族非金属 | $O^{2-}, S^{2-}$ | -2 | $Na_2S$ |
| 第5族非金属 | $N^{3-}$ | -3 | $Mg_3N_2$ |
| 要求掌握的过渡金属 | $Ag^+, Cu^{2+}, Fe^{2+}, Fe^{3+}, Pb^{2+}, Zn^{2+}$ | 各不相同，需记忆 | $CuSO_4$ |
| 要求掌握的多原子离子 | $H^+, OH^-, NH_4^+, CO_3^{2-}, NO_3^-, SO_4^{2-}$ | 各不相同，需记忆 | $(NH_4)_2SO_4$ |

## 下一步

掌握离子键的核心概念后，你就可以继续学习化学原理单元中的相关主题了。接下来你将学习共价键，它是非金属原子共享电子而非转移电子形成的化学键，你还将学习对比离子化合物和简单共价化合物的性质。之后你会学习第三种主要化学键类型——金属键，再之后进入电解部分，你可以运用学到的离子化合物导电性知识解释电解反应。这些主题经常在结构化考试题目中结合考察，因此在继续学习之前，请确保你熟练掌握离子化学式书写和点叉图绘制，它们是本课程所有化学键相关内容的基础。

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