化學原理啟迪348
1. 我們將介紹影響固體的二元離子化合物結構與穩定度的因素。金屬元素與非金屬元素以價電子轉移的方式進行反應，並製造出金屬陽離子與非金屬陰離子，彼此緊密相吸。
Zimerman - Beethoven, Piano Concerto No. 5 - I Allegro (2/3)
2. 由於極性相反的離子自然而然就會正負相吸，因此陰離子、陽離子互相吸引耗費的能量較少，它們結合成為離子固體。離子固體中陰、陽離子彼此的吸引力稱為晶格能lattice energy。
3. 晶格能的定義是，獨立分開的氣體離子，陰、陽離子成對鍵結成離子固體過程中能量的改變：
M+(g)＋X－(g)→MX(s)
4. 晶格能的定義是離子反應形成離子固體過程釋放的能量。如果個別離子反應成離子固體的過程是散熱，用負號－表示；如果個別離子反應成離子固體的過程是吸熱，用正號＋表示。
5. 我們將以元素氟F和鋰Li形成固體氟化鋰LiF為例，說明過程中涉及的能量變化：
Li(s)＋1/2F2(g)→LiF(s)
步驟1
固體鋰的昇華作用。將固體的鋰昇華成氣體的鋰：
Li(s)→Li(g)
固體鋰Li(s)昇華的熱含量是161 kJ/mol
步驟2
鋰原子，離子化成氣相的鋰離子Li+：
Li(g)→Li+(g)＋e－
這個反應程序的能量是520kJ/mol，這個反應程序等於於鋰原子失去電子的第一游離能。
步驟3
氟分子分解成氟原子。將0.5mole的氟分子F2的F－F化學鍵打斷，就形成1mole的氟原子：
1/2F2(g)→F(g)
打斷氟分子化學鍵的能量是154kJ/mol。在這裡，我們是打斷0.5mole 的氟分子，因此這個步驟需要的能量是154kJ/2，或77kJ。
步驟4
從氣相的氟原子變成氟離子F－：
F(g)＋e－→F－(g)
這個反應程序等同於氟原子獲得電子的過程，這個反應程序的能量變化是－328kJ/mol。
步驟5
從氣體的Li+和F－形成固體氟化鋰：
Li+(g)＋F－(g)→LiF
這個過程所需的能量－1047kJ/mol ，這個能量相當於LiF的晶格能。
6. 這五個步驟相加起來就得到我們想要的整體反應，每個步驟的能量改變加起來成為整個反應的能量改變：
7. 以上的程序可用能量圖表來說明：
8. 特別留意，元素氟和鋰反應形成固體氟化鋰的過程是高度散熱的，高度散熱的主因是晶格能是非常大的負數值，當陰、陽離子結合成固體時會釋放大量的能量。
9. 再注意一點，對一個氟原子增加電子製造出氟離子的過程釋放的能量（328kJ/mol），不足以支應拔除鋰原子的電子所需的能量（520kJ/mol）。所以，金屬鋰原子與非金屬氟原子反應形成二個獨立的離子：
Li(g)＋F(g)→Li+(g)＋F－(g)
這個過程是吸熱的，因此在熱力學上是不利的。
10. 很顯然地，使鋰與氟形成離子化合物，而不是共價化合物的主要動力，是鋰離子Li+與氟離子F－之間的強烈吸引力；晶格能主導整個反應的能量。
11. 固體的氟化鋰結構如下：
12. 特別留意鋰離子Li+和氟離子F－是交替排列的，這樣才能夠互相吸引。此外，每一個鋰離子Li+與環繞在周遭的六個氟離子F－鍵結（上下、左右、前後六個位置），每一個氟離子F－與環繞在周遭的六個鋰離子Li+鍵結。
13. 每一個陰離子周圍包覆著一圈陽離子，每一個陽離子周圍包覆一圈陰離子，這種排列結構很合理，因為這種排列方式可讓極性相反的離子彼此的吸引力發揮到最大，相同極性的離子之間的斥力下降到最小。
14. 原則上，所有的鹼金族元素與鹵素形成的二元離子化合物的構造如上圖所描述的狀態，但是有一個鹼金族元素是例外，那就是銫所形成的離子化合物，銫鹽cesium salts。
15. 氟化鋰的離子結構，通常被稱為氯化鈉晶體結構 sodium chloride structure，因為氯化鈉是比較常見的物質，所以用它來命名。
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