库仑定律在化学中的应用

摘要：用库伦定律解释了多元弱酸的酸性逐级递减的原因、多元弱酸正盐的碱性由第一步水解决定的原因、氢键的键能与元素电负性的关系、离子晶体晶格能的大小与离子半径和离子电荷数的关系、金属晶体金属键的强弱与金属原子半径及价电子数的关系、原子晶体共价键的强弱与键长的关系、分子晶体分子间作用力的强弱与分子极性的关系、电负性与原子半径的关系、电离能大小与原子半径的关系。

关键词：库伦定律；电负性；电离能；氢键；晶格能

中图分类号：G622 文献标识码：A 文章编号：1002—7661（2012）19—0111—01

库伦定律的内容是：两个点电荷所带电量分别是q1、q2，两者之间的距离为r，则它们之间的吸引力：F=k×■，其中k为常数。由库伦定律可知：点电荷所带电荷数越多，两者之间的距离越近，则静电作用力就越大，若两个电荷为异种电荷，则两者之间的吸引力就越大。

库伦定律是高中物理中的一个重要公式，在高中化学中，这个公式应用广泛。

1.多元弱酸的酸性

多元弱酸的电离是分步进行的，而且一步比一步困难，其酸性由第一步电离程度决定。反映在电离平衡常数上，多元弱酸的逐级电离平衡常数减小，即Ka1>> Ka2>> Ka3……。因为随着H+的逐个电离，原子团所带的负电荷数越来越多，对质子的引力吸引力越来越大，再电离出H+越来越困难，逐级电离平衡常数也越来越小。以碳酸为例，H2CO3■HCO3— + H+， Ka1= 4.4×10—7， HCO3—■CO32— + H+，Ka2=4.7×10—11，Ka1>> Ka2，第二步电离比第一步电离困难，碳酸的酸性由第一步电离程度决定。

2.多元弱酸正盐的碱性

多元弱酸根离子的水解是分步进行的，而且一步比一步困难。多元弱酸的正盐的水溶液碱性强弱，由第一步水解程度决定。以Na2CO3为例，第一步水解：CO32—+H2O■HCO3—+ OH—，第二步水解：HCO3—+ H2O■H2CO3+OH—，因CO32—所带的电荷数比HCO3—多，对H2O中氢离子的吸引能力强，使第一步水解程度远远大于第二步水解程度。

3. 氢键的键能

氢键可表示为A—H…B—，A、B为N、O、F，“—”表示共价键，“…”表示形成的氢键。

A、B元素的电负性越强，氢键键能越大，氢键就越牢固。A元素的电负性越强，A—H之间的共用电子对越偏离H原子核，H原子所带的正电荷就越多，氢键就越牢固；B原子的电负性越大，对带正电荷的H原子引力就越大，氢键也越牢固。例如：，氟元素的电负性大于氮元素，F—H…F的键能28.1kJ·mol—1大于N—H…N键能5.4 kJ·mol—1。

4. 离子晶体晶格能的大小

（1）离子所带电荷越多，离子晶体熔沸点越高，硬度越大。因为离子所带电荷越多，离子间相互吸引力就越大，破坏晶格能所需能量也越大，晶体熔沸点就越高，硬度也越大。例如，正电荷数Al3+ > Mg2+ > Na+ ，负电荷数N3— > O2— > Cl— ，熔沸点AlN > MgO > NaCl。

（2）离子半径越小，离子之间距离越短，相互吸引力就越大，晶格能就越大，熔沸点就越高，硬度就越大。例如，阳离子半径K+ > Na+ > Li+ ，熔点KCl < NaCl < LiCl。

5.金属晶体金属键的强弱

（1）金属原子半径越小，金属离子和自由电子形成的“电子气”之间的引力就越大，金属键越强，熔沸点就越高，硬度就越大。例如碱金属元素原子半径从上到下逐渐增大，其熔点也逐渐降低。

（2）金属原子的价电子数越多，金属离子和自由电子形成的“电子气”之间的引力就越大，金属键越强，熔沸点就越高，硬度越大。例如钠、镁、铝，原子半径减小，使金属键增强；金属阳离子为Na+、Mg2+、Al3+所带电荷越来越多，也使金属键增强。故熔点Na < Mg < Al。

6. 原子晶体共价键的强弱

共价键键长越短，键能就越大，原子晶体熔点越高，硬度越大。键长越短，带正电荷的原子核距离共用电子对之间的距离就越短，两者之间的引力就越大，共价键就越牢固，原子晶体熔点就越高，硬度越大。例如，碳原子半径小于硅，键长：金刚石 < 碳化硅 < 晶体硅，熔沸点：金刚石 > 碳化硅 > 晶体硅。

7. 分子晶体分子间作用力的强弱

分子极性越大，分子间作用力越大。极性分子正电荷中心与负电荷中心不重合，使分子一端带正点，为正极，另一端带负点，为负极。某个分子的正极与另外一个分子的负极之间有静电吸引作用。分子的极性越强，分子两端电荷数越多，分子间作用力就越大，熔沸点就越高。例如CO和N2相对分子质量相同，CO分子有极性而N2分子没有极性，CO熔沸点高于N2。

8. 电负性

（1）同主族元素从上到下，原子半径增大，电负性减小。因为原子半径增大，必然导致带正电荷的原子核和共用电子之间的距离变远，两者之间的引力减小，即电负性减小。例如氟、氯、溴、碘的电负性依次为4.0、3.0、2.8、2.5。

（2）同一周期从左到右，原子半径减小，电负性增大。因为原子半径减小，带正电荷的原子核和共用电子之间的距离变小，两者之间的引力增大，即电负性变大。例如碳、氮、氧、氟的电负性依次为2.5、3.0、3.5、4.0。

9. 电离能

（1）同主族元素从上到下，原子半径增大，第一电离能减小。因为原子半径增大，原子核与最外层电子之间的距离变远，两者之间的引力减小，第一电离能减小。

（2）同一周期从左到右，原子半径减小，电负性呈增大趋势（个别元素反常）。因为原子半径减小，带正电荷的原子核与最外层电子之间的距离缩短，两者之间的引力增大，第一电离能呈增大趋势。

（3）元素原子的逐级电离能增大，因为随着电子的逐个失去，原子所带的正电荷越来越多，阳离子与将要失去的电子之间的引力越来越大，再失去一个电子所需能量也越来越高。

总之，化学中一切作力都是因为电性作用，物质的许多性质都可以用库伦定律去解释。应用物理公式，解决化学问题，把原本孤立的知识用库伦定律串起来，使原本难以理解的性质用一个简单的公式解释，有利于老师的教，也有利于学生的学。