離子鍵

離子鍵 (Ionic bond)
國立臺灣師範大學附屬中學生蔡威任/國立臺灣師範大學附屬中學化學科陳昭錦老師

離子鍵為化學鍵的一種，它是由兩個相反電性的離子，藉由彼此間的靜電引力吸引而成。通常是由金屬元素（低游離能）形成陽離子而非金屬元素（高電子親和力）形成陰離子。單純的離子鍵是不存在的，在所有的離子化合物中都存有某些程度的共價鍵結，因此離子鍵可視為在鍵結中離子的特性大於共價的特性。當兩個原子間有較大的電負度差時，其鍵結的離子性就較大。

例如：我們生活中的必需品調味用的食鹽，其成份為氯化鈉，當鈉原子與氯原子要彼此結合時，鈉原子需先失去一個電子形成鈉離子，而氯原子需先獲得一個電子形成氯離子，這些離子們以1：1的方式形成氯化鈉晶體，其反應式為Na + Cl → Na+ + Cl− → NaCl。依據八隅體的概念，其反應情形可用圖一表示。

圖一、鈉金屬與氯氣反應形成氯化鈉的示意圖

固態的離子化合物是以晶格的結構（lattice structures）方式存在，影響晶格的形成有離子電荷與尺寸大小兩個因素。

離子對中離子鍵的強弱可由庫侖引力公式推斷：

當異性電荷離子間距離愈小，離子電荷愈大，則離子間吸引力愈大，破壞離子鍵所需的能量也就愈大。例如： MgO的離子鍵強於NaCl（電荷因素），而NaF的離子鍵強於NaCl（離子間距離因素）。

由氣態離子彼此互相結合形成固態離子化合物的焓（Enthalpy）為晶格能（lattice energy），晶格能的實驗值可利用Born–Haber cycle來求得。也可以用Born–Landé equation來進行理論處理。

首先考慮距離為r電性相反的單一離子對，由庫侖定律其靜電吸引能量為：

上式中：z為離子電荷，e=1.6×10^－19庫侖，= 1.112×10⁻¹⁰ C²/(J m)

於一個晶格中存在著許多類似一個離子對的簡單作用，以氯化鈉為例，其晶格中有6個最鄰近異性電荷的吸引力，12個次近同性電荷的排斥力…..等等作用力。這些幾何作用（geometrical interactions）的全部總和，即稱為Madelung常數，因此晶格中一對離子的能量即為：

式中M為Madelung常數，僅與結晶的幾何結構有關，而與離子半徑或電荷無關。

我們可由上式看出，需有排斥力存在，以平衡庫侖吸引力，否則無法得到穩定結晶。Born建議用下式表示這種排斥能量：

因此離子對的晶格能就可修正為：

再將其乘上亞佛加厥數可得一莫耳結晶的能量，以氯化鈉而言，其Born–Landé equation的計算值為－756KJ/mole，而Born–Haber cycle所得數值為－787KJ/mole。

參考資料：

1.離子鍵（Ionic bond）。檢索日期 2013.2.7, http://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_bond。

2.James E.Huheey(1983). Inorganic chemistry:Principles of structure and reactivity. Prentice Hall.

3. 葉名倉主編 (民101)，基礎化學（二）。南一書局，台南市。