理论教育 离子键黏附模型:界面现象

离子键黏附模型:界面现象

时间:2023-10-31 理论教育 版权反馈
【摘要】:离子键存在于离子化合物中,离子化合物在室温下是以晶体形式存在。离子键较氢键强,其强度与共价键接近。由式对R微分,可求得离子间作用力F与离子间距离R的关系,即当F达到极大值时,则R=R1,因此将式代入式,得从式和式可知:由此而得:于是如将式变为则式也可变为上述推导所得公式是有关离子晶体点阵的势能和最大作用力的理论计算式。

离子键黏附模型:界面现象

离子键指阴离子、阳离子间通过静电作用形成的化学键,通过两个或多个原子,或者化学集团失去或获得电子而成为离子后形成。带相反电荷的离子之间存在静电作用,当两个带相反电荷的离子靠近时,表现为相互吸引,而电子和电子、原子核与原子核之间又存在着静电排斥作用,当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时,便形成离子键。因此,离子键是阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键。此类化学键往往在金属与非金属间形成。失去电子的往往是金属元素的原子,而获得电子的往往是非金属元素的原子。通常,活泼金属与活泼非金属形成离子键,如钾、钠、钙等金属和氯、溴等非金属化合时,都能形成离子键。

离子键是由电子转移(失去电子者为阳离子,获得电子者为阴离子)形成的,即正离子和负离子之间由于静电引力所形成的化学键。离子既可以是单离子,如Na,Cl;也可以由原子团形成,如等。研究认为,在分子或晶体中的原子并不是简单地堆砌在一起,而是存在着强烈的相互作用。化学上把这种分子或晶体中原子间(有时原子得失电子转变成离子)的强烈作用力叫作化学键。键的实质是一种力,所以有的又叫键力,或就叫键。以钠与氯化合生成氯化钠为例:从原子结构看,钠原子最外电子层上有1个电子,容易失去;氯原子在外电子层有7个电子容易得到1个电子。当钠原子与氯原子相遇时,钠原子失去最外层的一个电子,成为钠离子,带正电,氯原子得到钠失去的电子,成为带负电的氯离子,阴阳离子的异性电荷的吸引作用,与原子核之间、电子之间的排斥作用达到平衡,形成了稳定的离子键。

离子键的作用力强,无饱和性,无方向性。离子键存在于离子化合物中,离子化合物在室温下是以晶体形式存在。离子键较氢键强,其强度与共价键接近。离子键的键能比较大,反映在离子化合物中就是高熔沸点,离子键的键能被称作晶格能,晶格能的符号与离子晶体解离过程焓变的符号保持一致。晶格能可以通过玻恩-哈勃循环(Bōrn-Haber cycle)或玻恩-兰德公式(Bōrn-Landé)计算得出,也可以通过实验测量。

以含羧基的胶剂为例,在粘接金属时,可能与金属表面上的氧化膜MeO有下列反应:

如果不慎使玻璃瓶口与玻璃塞之间碰到含Ca(OH)2的溶液,也会引起离子键型的粘接,即

在离子型化合物中,正、负离子间的相互吸引力为

式中,Q1,Q2分别为正负离子所带的电量;R为正、负离子间的距离。当距离足够小时,由于正、负离子内的电子云靠近而开始产生斥力作用。若正、负离子处于一定距离而使以上两力达到平衡时,即引力与斥力大小相等,则体系的势能最低。引力与斥力大小相等,则体系的势能最低。如果正、负离子间距离被拉伸到比平衡时的大,合力随距离的增加会达到一极大值,然后逐渐减少,最后趋近于零。外力将组成分子的离子(或原子)推到无穷远所需做的功为D,它是该化学键的解离能或称键能,一般常用D值表征结合力。

倘若要估算结合力的大小,可以从常态晶体化合物的讨论开始。假如以氯化钠离子晶格为例,它是立方点阵,每一个离子都有6个和其电荷相反的相邻离子配位,即在NaCl点阵中的配位数是6。稍远一点,与中心离子相距处,有12个带相同电荷的离子。再远一点就是8个带相反电荷的离子,中心离子与它们的距离是等。因此一个离子和它周围离子间的静电相互作用可以表示为

式中,A为Madelung常数。

对配位数为6的NaCl晶体来说

由正、负离子电子云所引起的斥力势能,同样也可以表示为紧邻离子间距离的函数。因为它只在短距离内起作用,且随着距离的增大而迅速地减弱,于是能以B/Rn表示。其中B和n都是常数,n称Bōrn指数,在一般情况下为5~12之间,但随离子中电子个数的增多而增大。

在NaCl中,Na的电子层结构与Ne类同,n Na﹢=7,而C1的电子层结构类同于Ar, ncl﹣=9,因此,Na Cl的n取平均值为8,于是NaCl点阵的总势能(Na和C1的带电荷数Z﹢和Z_都等于1)可以表示为

B可以由平衡状态的U为极小值时确定,即将U对R微分,且令其导数为零。

此式的n值可由晶体的压缩系数求得,R0是从X射线谱和电子光谱求得。按上式求得NaCl的离子晶体的点阵能(又称晶格能,是总势能的负值)为753kJ/mol。(www.daowen.com)

由式(7-26)对R微分,可求得离子间作用力F与离子间距离R的关系,即

当F达到极大值时,则R=R1,因此

将式(7-28)代入式(7-27),得

从式(7-25)和式(7-28)可知:

由此而得:

于是

如将式(7-26)变为

则式(7-31)也可变为

上述推导所得公式是有关离子晶体(电荷数1-1型)点阵的势能和最大作用力的理论计算式。

根据以上的推导方法,对于游离的气体离子型分子,例如NaCl,由于只有两个相邻的异电性离子,则Madelung常数A应等于1,其势能为

其中理论上导出的,则

由式(7-33)和式(7-35)算出的NaCl游离气体型分子的键能U′0为513.5kJ/mol。要使两离子分离所需的最大力FR′=R′1=2.085×10﹣9N。

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