关于离子键和共价键的问题讨论

王笃年(正高级教师)

（北京十一学校）

问题1如何理解离子键没有方向性和饱和性?NaCl晶体里，每个Na＋只与6个Cl－形成离子键，且彼此按照一定的方向靠近，这不是方向性和饱和性吗?

离子键没有方向性和饱和性，是从离子键的概念出发分析得到的结论.

离子键是人类较早构建的关于物质结构的理论.离子键理论认为：当阴、阳离子相遇时，它们首先会通过静电吸引相互靠近，但是这种靠近不是无止境的.因为两原子核均带正电荷，它们之间会发生排斥.同理，核外电子与核外电子之间也会发生相互排斥.随着两个原子核靠近，这些斥力加大，会使彼此远离并最终稳定在一个平衡点上.所以我们说：离子键是阴、阳离子间通过静电作用(而不说静电吸引)形成的化学键.

在离子晶体内，1个阳离子不会只与1个阴离子形成离子键，所以不存在阴、阳离子成键后即宣告“电荷中和”的假设.试想，如果1个Na＋只与1个Cl－发生电荷中和意味着什么?意味着Cl－把从Na原子那里夺取的电子还给了Na＋，因此它们恢复成为原本的原子状态.而我们知道，氯化钠晶体内只有离子，没有原子.

由于离子在形成离子键后电荷不会消失，所以每个离子都会同时与距离它最近的带有异性电荷的离子形成离子键.紧紧围绕在离子周边的异性电荷离子数，叫作该离子的配位数.在一定温度下，具体晶体内离子的配位数是一定的，这是由离子的电荷数、半径比等因素共同决定的，不能由此认为离子键具有饱和性和方向性.比如同样是＋1价的Na＋、Cs＋，由于其离子半径不同(确切说是与Cl－的半径比不同)，所以在NaCl、CsCl晶体内，阳离子的配位数不同，前者为6而后者为8.这个事实本身就说明了离子键既无饱和性(只要空间允许，会尽可能多地与异性电荷离子成键)，又无方向性(不管异性电荷离子从哪个方向靠近，均会与之作用成键).

问题2Na和Cs同是ⅠA族元素，为什么NaCl和CsCl晶体的堆积方式不一样?

对此，有人解释说“因为Cs＋的半径比Na＋大，故其周围可容纳8个Cl－，而Na＋只能容纳6个Cl－”.这种貌似合理的解释其实是经不住推敲的.按这个思路，如果我们从相反的方向思考，Cl－的半径是一定的，在NaCl晶体内其周围容纳了6个半径小的Na＋，而在CsCl晶体中反而容纳了8个半径大的Cs＋，这显然是讲不通的.

阴、阳离子按照一定的规律堆积成晶体，影响堆积方式的因素有很多.首先，同种离子一般不会紧密相接(把离子看作球形结构，球一般不可相切)，因为这样的话它们之间斥力太强，晶体不够稳定；其次，阴、阳离子堆积时，空间利用率应该尽可能地高，这样也有利于晶体的稳定.

一般的离子晶体中，阴离子半径较大，通常考虑阴离子采取一定的堆积方式，阳离子填充入阴离子堆积形成的空隙内.对于NaCl而言，Cl－本身取面心立方堆积形式，Na＋填入八面体空隙(这样一来，Na＋本身也呈面心立方堆积方式)，这样的堆积方式就是空间利用率最高的.而Cs＋半径过大，若是Cl－依然取面心立方堆积，则其八面体空隙不够大，难以容下Cs＋，于是Cl－取简单立方堆积形式，形成更大的立方体空隙以容纳Cs＋.可能有人会说，既然CsCl晶体中Cl－可以采取简单立方堆积，那NaCl中的Cl－为什么不可以采取一样的简单立方堆积呢?如前所述，若是阳离子小于空隙，那么阴离子之间的距离太近，彼此间排斥力太大，会导致晶体结构不稳定.

一定温度下，对于AB型离子晶体而言，阴离子具体以怎样的方式堆积，主要取决于阴、阳离子的半径之比.对此感兴趣的同学，可以在课外进行延伸性学习.

问题3氟电负性极大，为何HF中H与F仍以共价键形式结合?

与此类似的问题还有：酸在水中完全电离为H＋和酸根离子，为什么说酸中H与酸根之间是共价键?

有人说，主要是因为氢元素属于非金属元素，非金属元素的原子与非金属元素的原子之间不会形成离子键，这个解释很牵强.而从共价键概念的本质出发分析此问题，容易得出比较合理的答案.

尽管我们总是用H＋表示氢离子，但在化学的视野里，独立的H＋是不可能稳定存在的.H＋是一个质子，没有电子云，它只有“钻到电子云里”才会稳定.根据共价键模型，原子间以电子云彼此结合的状态，就是共价状态.所以，不管H与其他原子间的电负性差多大，它们之间必然通过电子云重叠的方式结合，也就是形成共价键.

同样道理，我们说酸在溶液里电离出H＋，这个H＋只是一个代号，表示的是H3O＋，因为溶液里不可能存在游离的质子(H＋).打一个不太恰当的比方，一粒高速飞行的子弹(类比这个质子)，是不可能穿梭于熙熙攘攘的羊群(类比有电子云的分子或离子)之中的，它一定会击中其中的一只羊，并与之结合在一起才会稳定下来.

问题4H2O能够通过配位共价键结合1个H＋形成[H3O]＋，H2O的氧原子有2对孤对电子，能不能结合2个H＋形成[H4O]2＋?

简单说，[H3O]＋已经带有正电荷了，它会排斥靠近的H＋.

由此引出的另一个问题：既然H2O分子中2个H是等价的，那么H2O分子为什么不会一次性电离掉2个H＋变成O2－呢?这是因为，电离过程总是一步步发生的，当H2O分子发生第一步电离变为OH－后，OH－带有负电荷，这时带有正电荷的H＋再从OH－上脱离，就更加困难了.所以不是H2O不能电离出2个H＋，是这种可能性太小，故水中O2－浓度极低，低到可以完全忽略不计的程度.