离子极化理论是离子键理论的重要补充。离子极化理论认为:离子化合物中除了起主要作用的静电引力之外,诱导力起着很重要的作用。离子本身带电荷,阴、阳离子接近时,在相反电场的影响下,电子云变形,正、负电荷重心不再重合,产生诱导偶极,导致离子极化,致使物质在结构和性质上发生相应的变化。
一、 离子的极化作用和变形性
离子极化作用的大小决定于离子的极化力和变形性。离子使异号离子极化而变形的作用称为该离子的“极化作用”;被异号离子极化而发生离子电子云变形的性能称为该离子的“变形性”。虽然异号离子之间都可以使对方极化,但因阳离子具有多余的正电荷,半径较小,在外壳上缺少电子,它对相邻的阴离子起诱导作用显著;而阴离子则因半径较大,在外壳上有较多的电子容易变形,容易被诱导产生诱导偶极。所以,对阳离子来说,极化作用应占主要地位,而对阴离子来说,变形性应占主要地位。
1. 影响离子极化作用的主要因素
(1)离子壳层的电子构型相同,半径相近,电荷高的阳离子有较强的极化作用。例如: Al3+ > Mg2+ > Na+
(2)半径相近,电荷相等,对于不同电子构型的阳离子,其极化作用大小顺序如下:
18电子和18+2电子
构型以及氦型离子。
如:Ag+、Pb2+、Li+等
> 9—17电子构型的离子。如:Fe2+、Ni2+、Cr3+等
> 离子壳层为8电子
构型的离子。如:Na+、Ca2+、Mg2+等
(3)离子的构型相同,电荷相等,半径越小,离子的极化作用越大。
但由于阳离子半径相互差别不大,所以,阳离子的电荷数越大,极化力越大。为了衡量阳离子极化力,曾有许多人将正电荷数和半径综合起来找出统一的标度。例如,卡特雷奇(G•H•Cartledge)以离子势 φ=Z/r 为标度;徐光宪以静电势能 Z2/r 为标度…等等。这些都是经验公式,由于影响极化作用的因素较多,所以这些公式不能对所有离子都适用,还有许多例外。
2. 影响离子变形性的主要因素
(1)离子的电子层构型相同,正电荷越高的阳离子变形性越小。例如:
O2- > F- > Ne > Na+ > Mg2+ > Al3+ > Si4+
(2)离子的电子层构型相同,半径越大,变形性越大。例如:
F- < Cl- < Br- < I-
(3)若半径相近,电荷相等,18电子层构型和不规则(9—17电子)构型的离子,其变形性大于8电子构型离子的变形性。例如:
Ag+ > K+ ; Hg2+ > Ca2+
(4)复杂阴离子的变形性通常不大,而且复杂阴离子中心原子氧化数越高,其变形性越小。例如:
ClO4- < F- < NO3- < H2O < OH- < CN- < Cl- < Br- < I-
SO42- < H2O < CO32- < O2- < S2-
从上面的影响因素看出,最容易变形的离子是体积大的阴离子(如I-、S2-等)和18电子层或不规则电子层的少电荷的阳离子(如:Ag+、Hg2+等)。最不容易变形的离子是半径小,电荷高,8电子构型的阳离子(如:Be2+、Al3+ 、Si4+等)。
对于阴离子的变形性也可用离子势的倒数1/φ来表征,即 = 。当然,这个公式也只对某些简单阴离子适合。
二、 离子的附加极化
在上面的讨论中,偏重于阳离子对阴离子的极化作用。但是,当阳离子也容易变形时,阴离子对阳离子也会产生极化。两种离子相互极化,产生附加极化效应,加大了离子间引力,因而会影响离子间引力所决定的许多化合物性质。
一、 离子的极化作用和变形性
离子极化作用的大小决定于离子的极化力和变形性。离子使异号离子极化而变形的作用称为该离子的“极化作用”;被异号离子极化而发生离子电子云变形的性能称为该离子的“变形性”。虽然异号离子之间都可以使对方极化,但因阳离子具有多余的正电荷,半径较小,在外壳上缺少电子,它对相邻的阴离子起诱导作用显著;而阴离子则因半径较大,在外壳上有较多的电子容易变形,容易被诱导产生诱导偶极。所以,对阳离子来说,极化作用应占主要地位,而对阴离子来说,变形性应占主要地位。
1. 影响离子极化作用的主要因素
(1)离子壳层的电子构型相同,半径相近,电荷高的阳离子有较强的极化作用。例如: Al3+ > Mg2+ > Na+
(2)半径相近,电荷相等,对于不同电子构型的阳离子,其极化作用大小顺序如下:
18电子和18+2电子
构型以及氦型离子。
如:Ag+、Pb2+、Li+等
> 9—17电子构型的离子。如:Fe2+、Ni2+、Cr3+等
> 离子壳层为8电子
构型的离子。如:Na+、Ca2+、Mg2+等
(3)离子的构型相同,电荷相等,半径越小,离子的极化作用越大。
但由于阳离子半径相互差别不大,所以,阳离子的电荷数越大,极化力越大。为了衡量阳离子极化力,曾有许多人将正电荷数和半径综合起来找出统一的标度。例如,卡特雷奇(G•H•Cartledge)以离子势 φ=Z/r 为标度;徐光宪以静电势能 Z2/r 为标度…等等。这些都是经验公式,由于影响极化作用的因素较多,所以这些公式不能对所有离子都适用,还有许多例外。
2. 影响离子变形性的主要因素
(1)离子的电子层构型相同,正电荷越高的阳离子变形性越小。例如:
O2- > F- > Ne > Na+ > Mg2+ > Al3+ > Si4+
(2)离子的电子层构型相同,半径越大,变形性越大。例如:
F- < Cl- < Br- < I-
(3)若半径相近,电荷相等,18电子层构型和不规则(9—17电子)构型的离子,其变形性大于8电子构型离子的变形性。例如:
Ag+ > K+ ; Hg2+ > Ca2+
(4)复杂阴离子的变形性通常不大,而且复杂阴离子中心原子氧化数越高,其变形性越小。例如:
ClO4- < F- < NO3- < H2O < OH- < CN- < Cl- < Br- < I-
SO42- < H2O < CO32- < O2- < S2-
从上面的影响因素看出,最容易变形的离子是体积大的阴离子(如I-、S2-等)和18电子层或不规则电子层的少电荷的阳离子(如:Ag+、Hg2+等)。最不容易变形的离子是半径小,电荷高,8电子构型的阳离子(如:Be2+、Al3+ 、Si4+等)。
对于阴离子的变形性也可用离子势的倒数1/φ来表征,即 = 。当然,这个公式也只对某些简单阴离子适合。
二、 离子的附加极化
在上面的讨论中,偏重于阳离子对阴离子的极化作用。但是,当阳离子也容易变形时,阴离子对阳离子也会产生极化。两种离子相互极化,产生附加极化效应,加大了离子间引力,因而会影响离子间引力所决定的许多化合物性质。