# 微粒间作用力与物质性质 · 五 · 「离子键 离子晶体」

## 离子键

1. 概念：带相反电荷离子之间的相互作用称为离子键（ionic bond）。其成键粒子为阴阳离子，相互作用为 **静电作用**（引力和斥力），成键过程为：阴阳离子接近到某一定距离时， 吸引和排斥达到平衡
2. 离子键没有 **方向性** 和 **饱和性**，因此，以离子键结合的微粒倾向于形成紧密堆积，使每个离子周围尽可能多地排列带异性电荷的离子，从而达到稳定结构

### 晶格能

1. 概念：离子晶体中阴、阳离子间相互作用力的大小可用晶格能（lattice energy）来衡量。**晶格能**（符号为 $U$）是指拆开 $1 mol$ 离子晶体使之形成气态阴离子和气态阳离子时所吸收的能量。例如 $$NaCl(s)\rightarrow Na^+(g)+Cl^-(g) \qquad U=786 kJ·mol^{-1}$$
2. **影响因素**：
   1. **离子的电荷数**：离子所带的电荷数越多，晶格能越大
   2. **离子半径**：离子半径越小，晶格能越大
3. 与离子晶体性质的关系 **晶格能越大，形成的离子晶体更稳定，熔点更高，硬度更大**

## 离子晶体

1. 概念：由 **阳离子** 和 **阴离子** 相互作用而形成的晶体
2. 相互作用力：阴、阳离子间以离子键结合，离子晶体中还可能存在共价键、氢键等
3. 常见的离子晶体：强碱、活泼金属的氧化物和过氧化物、大部分的盐

> **离子晶体相关概念理解时的注意点**
>
> 1. 离子晶体中无分子。如 $NaCl$、$CsCl$ 只表示晶体中阴、阳离子的个数比，为化学式，不是分子式
> 2. 由金属元素和非金属元素形成的晶体不一定是离子晶体，如 $AlCl\_3$，是分子晶体；全由非金属元素形成的晶体也可能是离子晶体，如 $NH\_4Cl、NH\_4NO\_3$，等铵盐的晶体为离子晶体
> 3. 离子晶体中一定存在离子键，除离子键外可能有其他类型的化学键。如 $NaOH$ 晶体中除有钠离子与氢氧根离子间的离子键外，还有氢氧根离子内氢原子和氧原子间形成的极性共价键
> 4. 离子晶体中，每一个离子周围排列的带相反电荷的离子数目都是固定的，不是任意的
> 5. 对于超导材料，一般暗示为离子晶体

### 物理性质

1.  **熔沸点** 离子晶体具有 **较高的熔、沸点**，难挥发。离子晶体中，阴、阳离子间有强烈的相互作用（离子键），要克服离子间的相互作用力使物质熔化或沸腾，就需要较多的能量。因此，离子晶体具有熔、沸点较高和难挥发的性质

    > 注意：
    >
    > 1. 离子晶体的熔、沸点和硬度与离子键的强弱有关，**离子键越强**，离子晶体的 **熔、沸点越高**，**硬度越大**
    > 2. 离子键的强弱与离子半径和离子所带电荷数有关，**离子半径越小**，离子所带的 **电荷数越多**，**离子键越强**
2. **硬度** **离子晶体硬而脆**。离子晶体中，阴、阳离子间存在较强的离子键，使晶体表现出较大的便度，当晶体受到冲击力作用时，部分离子键发生断裂，导致晶体破碎
3. **导电性** **离子晶体固态时不导电，熔融状态或溶于水后能导电**。离子晶体中离子键较强，离子不能自由移动，即晶体中无自由移动的离子，因此固态时不导电。当温度升高时，阴、阳离子获得足够能量，克服了离子间的相互作用，成为自由移动的离子，在外界电场作用下，离子定向移动而导电 离子化合物溶于水时，阴、阳离子受到水分子作用变成了自由移动的离子（或水合离子），在外加电场作用下，阴、阳离子定向移动而导电
4. **溶解性** 大多数离子晶体易溶于极性溶剂（如水），难溶于非极性溶剂（如汽油、煤油）。当把离子晶体放在水中时，极性水分子对离子晶体中的离子产生吸引作用，使晶体中的阴、阳离子克服了离子间的相互作用而发生电离，变成在水中自由移动的离子

## 常见离子晶体的结构

1. $NaCl$ 晶胞 ![](https://4175058363-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F8TzZV1k2Lx7zAfm4HAnF%2Fuploads%2Fgit-blob-66f11951690e724301bef371e88f008253644f0b%2F5.1.png?alt=media) $NaCl$ 晶胞如图所示，每个 $Na^+$ 周围距离最近的 $Cl^-$ 有 $6$ 个，构成正八面体。每个 $Cl^-$ 周围距离最近的 $Na^+$ 有 $6$ 个，构成正八面体，由此可推知晶体的化学式为 $NaCl$
   1. 每个 $Na^+(Cl^-)$ 周围距离相等且最近的 $Na^+(Cl^-)$ 是 $12$ 个
   2. 每个晶胞中实际拥有的 $Na^+$ 数是 $4$ 个，$Cl^-$ 数是 $4$ 个
   3. 若晶胞参数为 $a$ $pm$，则氯化钠晶体的密度为 $\frac{234}{N\_A\cdot a^3\times10^{-30\}} g·cm^{-3}$
2. $CsCl$ 晶胞 ![](https://4175058363-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F8TzZV1k2Lx7zAfm4HAnF%2Fuploads%2Fgit-blob-203ba7446fd6cc478fbfe8e5b05c76fec7527e26%2F5.2.png?alt=media) $CsCl$ 晶胞如图所示，每个 $Cs^+$ 周围距离最近的 $Cl^-$ 有 $8$ 个，每个 $Cl^-$ 周围距离最近的 $Cs^+$ 有 $8$ 个，它们均构成正六面体，由此可推知晶体的化学式为 $CsCl$
   1. 每个 $Cs^+(Cl^-)$ 周围距离最近的 $Cs^+(Cl^-)$ 有 $6$ 个，构成 正八面体
   2. 每个晶胞中实际拥有的 $Cs^+$ 有 $1$ 个，$Cl^-$ 有 $1$ 个
   3. 若晶胞参数为 $a$ $pm$，则氯化铯晶体的密度为 $\frac{168.5}{N\_A\cdot a^3\times10^{-30\}}g·cm^{-3}$
3. $CaF\_2$ 晶胞 ![](https://4175058363-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-x-prod.appspot.com/o/spaces%2F8TzZV1k2Lx7zAfm4HAnF%2Fuploads%2Fgit-blob-e68d7384c078e66990fa44961f0bc67728217706%2F1.5.png?alt=media)
   1. $Ca^{2+}$ 的堆积方式为面心立方堆积，$F^-$ 所处位置为 $8$ 个小正方体的体心
   2. $Ca^{2+}$ 呈立方密堆积，阴离子 $F^-$ 填充在四面体空隙中，位于对角线的 $\frac{1}{4}$ 和 $\frac{3}{4}$ 处。$Ca^{2+}、F^-$ 离子的配位数分别为 $8$ 和 $4$
   3. 在一个晶胞中有 $4$ 个 $Ca^{2+}$、$8$ 个 $F^-$
