# 离子键与结构

> IB 化学 HL · 单元 2：成键与结构模型
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-ionic-bonding-and-structure/

本子主题涵盖离子键形成、离子电荷预测、巨型离子晶格结构，以及结构如何影响离子化合物的物理性质，是IB化学HL的核心基础成键模型。

**先修:** [原子结构与电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-atomic-structure/); [电负性的周期性趋势](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-periodicity/)

## 学习目标

- 描述带相反电荷离子之间离子键的形成过程
- 根据元素在周期表中的族位置预测离子电荷
- 根据离子电荷推导离子化合物的化学式
- 解释巨型离子晶格结构与物理性质的关联

## 离子键的形成

**离子键** — 电负性差异很大（鲍林标度通常>1.7）的元素之间发生电子转移后，带相反电荷离子之间的静电吸引作用

*例:* 氯化钠中$\text{Na}^+$和$\text{Cl}^-$之间的键

离子键通常形成于金属（电离能低，易失去电子）和非金属（电子亲和能高，易得到电子）之间。金属形成带正电的阳离子，非金属形成带负电的阴离子，静电吸引将离子结合在一起。

**例题:** 通过电子转移展示镁原子和氧原子形成氧化镁的过程。

1. 写出每个中性原子的基态电子排布：
2. $$Mg: 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 \\ O: 1s^2 2s^2 2p^4$$
3. 确定得失电子，形成稳定的满外层电子结构：
4. $$Mg \rightarrow Mg^{2+} + 2e^- \\ O + 2e^- \rightarrow O^{2-}$$
5. 带相反电荷的离子通过静电吸引结合，形成电中性的氧化镁，形成完整的离子键。

> **考试提示:** 为了获得满分，请务必明确说明吸引力是带相反电荷离子之间的静电吸引；仅说"异电荷相吸"是不够的。

*计算器:* forbidden

## 离子化合物的化学式

所有电中性离子化合物的净电荷为零，因此阳离子的总正电荷等于阴离子的总负电荷。我们可以利用这个规则推导离子化合物的最简单整数（实验式）化学式。

**（离子）实验式** — 巨型离子晶格中阳离子与阴离子的最简单整数比

**例题:** 推导硫酸铝的化学式，其中铝形成$\text{Al}^{3+}$，硫酸根是多原子离子$\text{SO}_4^{2-}$。

1. 找到电荷绝对值的最小公倍数：$|+3| \times |-2| = 6$
2. 计算得到零净电荷所需的各离子数量：2个$\text{Al}^{3+}$提供$2 \times (+3) = +6$，3个$\text{SO}_4^{2-}$提供$3 \times (-2) = -6$。总电荷 = 0。
3. 写出化学式，若多原子离子数量大于1，则在其外加括号：$\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3$

**概念自测**

测试你对离子化学式的理解

1. 磷酸钙的化学式是什么？其中钙为$\text{Ca}^{2+}$，磷酸根为$\text{PO}_4^{3-}$？

   - $\text{CaPO}_4$
   - $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$
   - $\text{Ca}_2\text{PO}_4$
   - $\text{Ca}(\text{PO}_4)_2$

   *答案:* $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$

   *解析:* 3个钙离子提供$3 \times (+2) = +6$，2个磷酸根离子提供$2 \times (-3) = -6$，净电荷为零。

*计算器:* forbidden

## 巨型离子晶格结构

离子化合物不会形成离散的小分子。相反，离子会排列成规则、重复的三维结构，称为巨型离子晶格，每个离子都被带相反电荷的离子包围。这种排列最大化了静电吸引力，最小化了排斥力。

> **配位数**
>
> 离子的配位数是相邻的带相反电荷离子的数量。在氯化钠中，$\text{Na}^+$和$\text{Cl}^-$的配位数均为6。

**例题:** 解释为什么阳离子的离子半径小于其母中性原子，而阴离子的半径大于其母原子。

1. 对于阳离子：金属失去所有价电子形成离子，因此失去了一整个电子层。相同的核电荷作用在更少的电子上，将剩余电子云拉向原子核，半径减小。
2. 对于阴离子：非金属得到额外电子形成离子，因此核电荷保持不变而电子数增加。电子间排斥作用增大使电子云膨胀，半径增大。

*计算器:* forbidden

## 离子化合物的物理性质

- **高熔沸点**：离子之间的强静电吸引需要大量能量才能破坏晶格。
- **导电性**：仅在熔融或溶于水时导电，固态不导电。固态晶格中的离子位置固定，没有可移动的电荷载体。
- **脆性**：施加力会使离子层移位，将同种电荷离子相邻排列，排斥作用使晶体分裂。
- **溶解性**：大多数离子化合物可溶于水等极性溶剂，极性溶剂会水合单个离子，破坏晶格。

**例题:** 解释为什么固体氯化钠不导电，而熔融氯化钠可以导电。

1. 在固体氯化钠中，$\text{Na}^+$和$\text{Cl}^-$离子通过强静电吸引固定在巨型离子晶格的固定位置。没有自由移动的电荷载体来承载电流。
2. 当氯化钠熔融时，离子键被破坏，离子可以在液体中自由移动。可移动的带电离子可以承载电流，因此熔融NaCl可以导电。

> **考试提示:** 在IB考试中，一定要将观察到的物理性质直接与离子晶格结构关联才能获得满分。

*计算器:* forbidden

## 常见错误

- **错误做法:** 声称离子键只是"离子之间的吸引"，未提及静电吸引
  - 原因: IB考试要求明确提及键的静电性质才能获得满分
  - 正确做法: 始终将离子键描述为带相反电荷离子之间的静电吸引
- **错误做法:** 将氢氧化钙写为$\text{CaOH}_2$而不是$\text{Ca(OH)}_2$
  - 原因: 省略多原子离子外的括号会导致离子数量表述模糊
  - 正确做法: 当化学式中存在多个多原子离子时，在多原子离子外加括号
- **错误做法:** 声称离子化合物通过自由电子导电
  - 原因: 这将离子键与金属键混淆了；离子化合物没有离域自由电子
  - 正确做法: 说明导电性来自熔融或溶于水时可移动的离子
- **错误做法:** 假设所有离子化合物都可溶于水
  - 原因: 许多常见离子化合物（例如氯化银、硫酸钡）都不溶于水
  - 正确做法: 说明大多数离子化合物可溶于极性溶剂，但溶解度因晶格能和水合能而异
- **错误做法:** 认为离子化合物只含有两种元素
  - 原因: 多原子离子（例如硝酸根、铵根）可形成含三种及以上元素的离子化合物
  - 正确做法: 认识到当存在多原子离子时，离子化合物可以含有多种元素

## 速查表

| 概念 | 考试核心要点 |
| --- | --- |
| 离子键 | 带相反电荷离子之间的静电吸引 |
| 一般形成过程 | 金属（失e⁻ → 阳离子） + 非金属（得e⁻ → 阴离子） |
| 常见离子电荷 | 第1族：+1，第2族：+2，第15族：-3，第16族：-2，第17族：-1 |
| 结构 | 巨型离子晶格，无离散分子 |
| 熔点 | 高：破坏强离子吸引需要大量能量 |
| 固态导电性 | 无：无可移动电荷载体 |
| 熔融/水溶液导电性 | 有：可移动带电离子承载电流 |

## 下一步

离子键是你在IB化学HL中学到的第一个核心成键模型，它是本单元后续所有主题以及整个大纲内容的基础。你将在此知识基础上，比较离子性质与共价键、金属键，拓展到晶格焓和玻恩-哈伯循环等HL主题。掌握离子化合物化学式对后续课程中的化学计量计算、书写净离子方程式和配平氧化还原反应也至关重要。

- [共价键与路易斯结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-covalent-bonding-and-lewis-structures/)
- [VSEPR理论与基础杂化](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-vsepr-theory-and-basic-hybridization/)
- [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-intermolecular-forces/)

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