在礦物學課上,我被告知金屬和離子鍵弱於共價鍵,這就是為什麼石英和鑽石具有如此高的硬度值。但是,在有機化學課上,我了解到共價鍵比金屬和離子鍵弱,因此有機物質的熔點比金屬和離子化合物的熔點低得多。
我怎麼了?離子鍵和金屬鍵是否比共價鍵弱?
在礦物學課上,我被告知金屬和離子鍵弱於共價鍵,這就是為什麼石英和鑽石具有如此高的硬度值。但是,在有機化學課上,我了解到共價鍵比金屬和離子鍵弱,因此有機物質的熔點比金屬和離子化合物的熔點低得多。
我怎麼了?離子鍵和金屬鍵是否比共價鍵弱?
石英和鑽石是更強的物質,因為它們的分子形成網絡共價結構。這些結構形成了類似於離子化合物的格子狀結構。
該分子網絡也是鑽石和石英形成晶體結構的原因,就像您在諸如氯化鈉您可能要研究的其他一些結構是石墨和石墨烯,它們都是碳的同素異形體(簡單地說,直鏈分子是元素的不同分子排列)。
網絡結構相結合,使該物質比普通的共價鍵結合物質更堅固。
所以要回答您的問題,具有標準共價鍵的物質似乎比具有離子鍵的物質更弱,因為離子鍵傾向於形成晶格結構,從而使它們更堅固。您可以看到以下事實:離子鹽的沸點比水等共價物質的沸點高得多。但是,當共價鍵形成網絡共價結構時,原子結合形成比單價共價鍵強得多的單價大分子。
您在礦物學課上學到的是正確的;鍵強度按以下順序降低:共價>離子>金屬。其原因如下。在諸如甲烷和氧原子的共價鍵中,價電子在鍵所涉及的原子之間共享,它們(電子)大部分時間都在鍵所涉及的原子核之間的區域中消費。這使得牢固的聯繫。在諸如氯化鈉的離子材料中,電子從一個(正電)原子提供給另一個(負電)原子,以使這些原子獲得填充的殼結構。離子原子通過靜電吸引和形成的晶格相互吸引。通過靜電吸引形成的鍵不如通過電子共價共享形成的鍵強。最後,在金屬中,最外層的電子被提供或“匯集”在金屬中存在的能帶結構中。電子自由移動很遠的距離(因此具有金屬的導電性),並充當膠水將所有帶正電的金屬核保持在一起。因此,在金屬的情況下,沒有明顯的金屬-金屬鍵,因此這些鍵是最弱的。
這取決於,因為共價鍵有兩種類型,即網絡鍵或分子鍵,或者正如我也聽說的那樣,稱為極性共價鍵和非極性共價鍵。但是,網絡共價由原子之間的廣闊網絡組成,並且每個原子都相互連接,並且它們大多由一個元素組成。
以鑽石為例,它僅由碳組成,但是由於原子彼此連接並且沒有分子之間的鍵合,如鹽等離子鍵,因此很難打破。但是,如果它是分子共價鍵,那麼整個情況就不同了,因為它們往往是非常弱的鍵,並且像糖或葡萄糖一樣容易斷裂,所以蔗糖無所謂,它仍然是共價分子鍵,因為他們擁有分子,而從技術上講,鑽石是一大分子。
但是,由於糖具有多個原子,彼此之間的鍵比元素本身之間的鍵弱,所以它真的很弱。
這真是個廢話。化學鍵將整個色域從非常強的範圍變為非常弱的範圍,這需要通過破壞它們的能量來證明。試圖說離子鍵或共價鍵更強是一個大錯誤,這是從“離子鍵”和“共價鍵”僅僅是鍵合連續體的假設極端這一事實開始的,可以將其視為“理想”鍵。真實的鍵位於連續體上,具有兩種理想鍵類型的特徵。因此,您最初的問題在化學研究中沒有地位。
第二個說法是錯誤的,因為首先熔點與化學鍵的強度不成正比。還有更多的因素,例如分子的柔韌性。
更重要的是, 中要比較的有機化合物,離子化合物和金屬化合物之間的粒子間力不共價鍵 vs離子鍵vs金屬鍵。它是離子鍵與金屬鍵的 分子間力 (偶極-偶極,H鍵,范德華力)。當然,第一個要比第二個和第三個弱得多。因此,有機化合物的沸點要低得多。
我不確定世界範圍內的化學家們達成了什麼共識,但是我只想在這個問題上提供我兩美分的價值。這個問題一直是我的老師在教授化學鍵時始終會解決的問題,他們的答案始終是相同的:
進行比較是不公平的,因為這些鍵最終是在強度方面變化很大。
我同意這一點,但是請允許我提供我對這個問題的看法。
可以輕鬆確定簡單分子物質(以及巨大網絡結構中)的共價鍵強度。因此,大多數共價鍵的鍵能是眾所周知的,並且它們可以容易地用於鍵能的這種比較。但是,離子鍵和金屬鍵的強度不是很明確。
根據定義,離子鍵是離子點陣中帶正電荷和負電荷的離子之間的靜電吸引力,而金屬鍵是帶正電荷的金屬離子與周圍電子之間的靜電吸引力。
在離子晶格中,有太多離子彼此靜電相互作用。那麼如何確定離子鍵的強度呢?可以使用晶格能量的概念,但是當我們在離子晶格之間進行比較時,使用晶格能量進行的比較只有任何意義。不能用來與共價鍵比較!
考慮$ \ ce {H-H} $的鍵解離能和氯化鈉的晶格能。 $ \ ce {H-H} $的BDE為$ \ ce {+ 436 kJ / mol} $,而$ \ ce {NaCl} $的晶格能為$ \ ce {+ 786 kJ / mol} $。兩者均以“摩爾數”表示。但是,每種情況下的“某些東西”都是不同的。在氫的情況下,“某物”是$ \ ce {HH} $鍵,但是在離子化合物$ \ ce {NaCl} $的情況下,“某物”是$ \ ce {NaCl} $公式單位。這與“ $ \ ce {Na ^ +} $和$ \ ce {Cl ^-} $之間的每摩爾離子鍵”不同。離子鍵強度不是很容易確定,因為每個離子都處於靜電環境中,該環境受其周圍所有其他離子的影響。相同的想法可以應用於金屬鍵。
從本質上講,我認為金屬,離子和共價鍵之間的鍵合強度沒有合理的比較依據。
不要混淆鍵的強度和將結晶固體保持在一起的力的強度
有一個原因是您從化學課程中學到的與
問題是礦物學上他們所談論的鍵是將晶體結合在一起的鍵,但是在化學領域中,人們經常談論的是鍵將分子結合在一起,而不是由分子製成的晶體。
這種區別很重要。化學中的絕大多數晶體由離散的分子組成,這些分子通過較弱的分子間力(有時稱為范德華鍵)結合在一起。與共價鍵相比,它們相當弱,並且導致晶體弱且熔點低。因此,化學家可能會研究分子中鍵是共價鍵的化合物,並得出結論,它們通常形成的晶體比金屬或離子化合物弱得多。但這是因為構成晶體的鍵不是共價的。
礦物學家通常會研究不是由離散分子構成但由離子晶格或共價構成的化合物網絡(或兩者)。沒有鑽石分子,晶體是通過(幾乎)無限的C-C共價鍵陣列連接在一起的網絡固體,因為二氧化矽通過無限的O-Si-O鍵陣列連接在一起。其他礦物是兩者與許多矽酸鹽的混合物,其中矽酸鹽包含例如O-Si-O結構片,介於兩者之間的各種離子。因此,對於礦物學家而言,與其他類型的鍵相比,共價鍵看起來更牢固。離子鍵很強,但不如純共價網絡固體強。
過小的強度定義使問題進一步複雜化。金屬是比類金剛石結構強還是弱?這取決於您所說的力量。鑽石比任何金屬都堅硬,但也更脆。如果對尖銳物體的彈力有影響,請每天在鑽石上選擇易彎曲的金屬物體。發生這種情況是因為某些金屬的晶體結構可以通過重組晶體缺陷而不是通過破壞鍵來吸收能量(幾乎是二氧化矽或金剛石中的唯一選擇)。因此,從某種意義上說,金屬比共價固體更堅固。
整個課程要謹慎定義。基於鍵的類型,晶體強度沒有很好的概括。請注意,您是在談論晶體的各個組成部分(分子)中的鍵還是將這些組成部分結合在一起的鍵(許多“共價”化合物都是由晶體組成,其中分子通過弱得多的力保持在一起)。不要忘記,許多礦物質具有離子鍵和共價鍵。並具體說明“強度”的含義(例如,控制力對沖擊的適應力不是同一回事)。