离子的形成与稳定结构

食盐的化学名称是氯化钠，它由钠和氯两种元素组成。钠是一种活泼金属，遇水会剧烈反应；氯是一种有毒气体。两种危险的物质结合在一起，却变成了餐桌上每天必用的调味品。这个转变的核心，就是离子的形成——原子通过得到或失去电子，改变了自身的电荷状态，也改变了化学性质。

原子为何会失去或得到电子

原子在通常状态下是电中性的，质子数等于电子数，正负电荷相互抵消。但原子并不总是甘愿“独来独往”——当最外层电子数与稳定结构相差不大时，原子倾向于通过得到或失去电子来接近稳定状态。

稀有气体（第0族）是“天然稳定”的代表。氖（Ne）、氩（Ar）等稀有气体的最外层都有8个电子，化学性质极不活泼，几乎不与其他物质反应。这8个电子的排布，被称为“八电子稳定结构”，其他元素的原子在化学反应中都有向这个结构靠拢的趋势。

从这张表可以看出，稀有气体之所以稳定，根本在于最外层的电子排布达到了“满”的状态（氦为2个，其余均为8个）。

阳离子的形成

最外层电子数较少的原子（通常为1、2或3个），失去这些电子比得到足够多的电子容易得多。失去电子之后，原子的质子数不变，但电子数减少，正电荷数量多于负电荷，整体带正电，这就是阳离子。

以钠原子（Na）为例，它的核外电子排布是2、8、1，最外层只有1个电子。失去这1个电子后，剩余的电子排布变为2、8，与氖原子的排布相同，达到了稳定的8电子结构：

$\text{Na} - e^- \rightarrow \text{Na}^+$

失去电子之后，钠原子有11个质子但只有10个电子，净电荷为+1，记作 $\text{Na}^+$，称为“钠离子”。

镁原子（Mg）的核外电子排布为2、8、2，最外层有2个电子，失去这2个电子后变为2、8的排布，同样达到稳定结构：

$\text{Mg} - 2e^- \rightarrow \text{Mg}^{2+}$

铝原子（Al）排布为2、8、3，最外层3个电子，失去3个电子后变为2、8的排布，形成+3价的铝离子：

$\text{Al} - 3e^- \rightarrow \text{Al}^{3+}$

规律非常明显：金属原子失去最外层电子后，剩余的电子层正好达到稳定的8电子（或2电子）结构。

例题 1

钙原子（Ca）的原子序数为20，核外电子排布为2、8、8、2。钙在与氯气反应时失去2个电子，请写出钙原子变为钙离子的变化过程，并说明钙离子的电子排布与哪种稀有气体相同。

钙原子失去最外层2个电子：

$\text{Ca} - 2e^- \rightarrow \text{Ca}^{2+}$

失去2个电子后，剩余电子排布为：$2 + 8 + 8 = 18$ 个电子，排布为2、8、8。

阴离子的形成

最外层电子数较多的原子（通常为5、6或7个），只需再得到几个电子就能凑满8个，比失去大量电子要容易得多。得到电子后，电子数多于质子数，整体带负电，这就是阴离子。

氯原子（Cl）的核外电子排布为2、8、7，最外层已有7个电子，只差1个就能达到8电子稳定结构。得到1个电子后变为2、8、8，形成带一个单位负电荷的氯离子：

$\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-$

硫原子（S）排布为2、8、6，最外层6个电子，需要再得到2个：

$\text{S} + 2e^- \rightarrow \text{S}^{2-}$

氧原子（O）排布为2、6，最外层6个电子，得到2个电子后达到2、8的稳定排布：

$\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{O}^{2-}$

例题 2

氟原子（F）的原子序数为9，核外电子排布为2、7。请写出氟原子得到电子的变化过程，说明氟离子的电荷数，并与哪种稀有气体的电子排布相同。

氟原子最外层7个电子，得到1个电子达到8电子稳定结构：

$\text{F} + e^- \rightarrow \text{F}^-$

氟原子有9个质子，得到1个电子后共有10个电子，净电荷为 $9 - 10 = -1$，记作 $\text{F}^-$，称为“氟离子”。

八电子稳定结构的本质

原子形成离子的过程，本质上是一场“电子层面的重新排列”。原子序数不变（质子数不变），但电子数发生变化，使最外层达到8个电子（或第一层的2个电子）。

下面这张图示展示了钠原子失去电子与氯原子得到电子的完整过程，以及两者如何配合形成氯化钠：

$\text{Na} \xrightarrow{-e^-} \text{Na}^+ \quad (2、8、1 \rightarrow 2、8)$

$\text{Cl} \xrightarrow{+e^-} \text{Cl}^- \quad (2、8、7 \rightarrow 2、8、8)$

$\text{Na}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{NaCl（氯化钠）}$

钠失去的那1个电子，正好被氯得到——两者“一拍即合”，各自达到稳定结构，同时通过正负电荷的相互吸引结合在一起，形成稳定的离子化合物氯化钠。

从这张表可以清楚看到：原子转变为离子的前后，质子数不变，而电子数的改变使最外层达到8个，电荷状态也随之改变。

例题 3

已知镁原子（Mg）核外电子排布为2、8、2，氧原子（O）核外电子排布为2、6。镁与氧气反应时，镁原子失去电子，氧原子得到电子，最终形成氧化镁（MgO）。请分别写出镁离子和氧离子的形成过程，并说明两者的电荷数。

镁原子失去最外层2个电子：

$\text{Mg} - 2e^- \rightarrow \text{Mg}^{2+}$

镁有12个质子，失去2个电子后只剩10个电子，净电荷为 $12 - 10 = +2$，带2个单位正电荷。

氧原子得到2个电子：

离子符号的写法

表示离子时，需要在元素符号的右上角标注电荷情况，格式为：数字在前，正负号在后，若电荷数为1则省略数字1。

电荷数的大小等于得到或失去的电子数。失去1个电子带+1，失去2个带+2；得到1个带-1，得到2个带-2。

例题 4

写出下列原子对应的离子符号，并说明各自得到或失去了几个电子： （1）钾原子（K），核外电子排布为2、8、8、1； （2）硫原子（S），核外电子排布为2、8、6。

（1）钾原子最外层1个电子，失去1个电子后达到2、8、8的稳定排布：

$\text{K} - e^- \rightarrow \text{K}^+$

钾离子的符号为 $\text{K}^+$，失去了1个电子。

（2）硫原子最外层6个电子，得到2个电子后达到2、8、8的稳定排布：

$\text{S}+2e^{-}\to {\text{S}}^2$

阴离子、阳离子在生活中的体现

离子不是抽象的理论概念，它们广泛存在于日常生活的每个角落。人体血液中的钠离子（$\text{Na}^+$）和钾离子（$\text{K}^+$）维持着细胞内外的渗透压；牙膏中常见的氟离子（$\text{F}^-$）能与牙釉质结合，增强牙齿的抗酸腐蚀能力；石灰水中的钙离子（$\text{Ca}^{2+}$）是混凝土硬化反应的关键。

例题 5

人体血液中同时含有钠离子（$\text{Na}^+$）和氯离子（$\text{Cl}^-$）。请分别说明：（1）$\text{Na}^+$ 是由钠原子如何变化得到的；（2）$\text{Cl}^-$ 是由氯原子如何变化得到的；（3）为什么血液中的 和 数量保持一定比例，整体显电中性。

（1）钠原子（Na）核外电子排布2、8、1，失去最外层1个电子：

$\text{Na} - e^- \rightarrow \text{Na}^+$

钠离子带1个单位正电荷。

（2）氯原子（Cl）核外电子排布2、8、7，得到1个电子：

$\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-$

练习题

选择题

第1题【知识点：阳离子的形成】

下列原子中，最容易失去电子形成阳离子的是：

A. 氯原子（Cl，最外层7个电子）

B. 硫原子（S，最外层6个电子）

C. 钠原子（Na，最外层1个电子）

D. 氮原子（N，最外层5个电子）

第2题【知识点：离子符号的含义】

$\text{Al}^{3+}$ 表示的含义是：

A. 铝原子失去了3个质子，带3个单位正电荷

B. 铝原子得到了3个电子，带3个单位正电荷

C. 铝原子失去了3个电子，带3个单位正电荷

D. 铝原子失去了3个电子，带3个单位负电荷

第3题【知识点：阴离子的形成与稳定结构】

硫原子（S）的核外电子排布为2、8、6，它在化学反应中形成硫离子（$\text{S}^{2-}$）。下列说法正确的是：

A. 硫原子失去了2个电子

B. $\text{S}^{2-}$ 的电子总数为14

C. $\text{S}^{2-}$ 的最外层电子数为8，达到稳定结构

D. $\text{S}^{2-}$ 与氦（He）的电子排布相同

第4题【知识点：离子化合物中电荷守恒】

氯化钙（$\text{CaCl}_2$）由钙离子（$\text{Ca}^{2+}$）和氯离子（$\text{Cl}^-$）构成。在一个氯化钙的“化学式单元”中，$\text{Ca}^{2+}$ 的个数为1， 的个数为：

A. 1个

B. 2个

C. 3个

D. 4个

计算题

第5题【知识点：由电子排布推断离子形成过程】

已知磷原子（P）的原子序数为15，核外电子排布为2、8、5。

（1）磷原子的最外层有几个电子？它倾向于得到还是失去电子？

（2）磷在与金属反应时得到3个电子，形成磷离子（$\text{P}^{3-}$）。写出磷原子变为磷离子的过程，并计算 $\text{P}^{3-}$ 的电子总数。

（3）$\text{P}^{3-}$ 的核外电子排布是什么？与哪种稀有气体的电子排布相同？

第6题【知识点：离子化合物中的电荷守恒与离子数目计算】

氧化铝（$\text{Al}_2\text{O}_3$）是一种重要的工业原料，由铝离子（$\text{Al}^{3+}$）和氧离子（$\text{O}^{2-}$）组成。

（1）铝原子的核外电子排布为2、8、3，写出铝原子变为铝离子的过程，计算 $\text{Al}^{3+}$ 的电子总数。

（2）氧原子的核外电子排布为2、6，写出氧原子变为氧离子的过程，计算 $\text{O}^{2-}$ 的电子总数。

（3）在氧化铝的化学式 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 中，铝离子与氧离子的个数比为2:3，请验证：正负电荷总量是否相等，整体是否显电中性。

查周期表可知，原子序数18的氩（Ar）核外电子排布也是2、8、8，最外层8个电子，属于稳定结构。

因此，$\text{Ca}^{2+}$ 的电子排布与氩（Ar）相同，这是钙离子稳定的根本原因。

氟离子的电子排布为2、8，与氖（Ne，原子序数10）完全相同，均达到了稳定结构。

氧有8个质子，得到2个电子后共10个电子，净电荷为 $8 - 10 = -2$，带2个单位负电荷。

镁失去的2个电子恰好被氧得到，正负电荷之比为 $\text{Mg}^{2+} : \text{O}^{2-} = 1:1$，形成电中性的氧化镁（MgO）。

硫离子的符号为 $\text{S}^{2-}$，得到了2个电子。

氯离子带1个单位负电荷。

（3）$\text{Na}^+$ 带 $+1$，$\text{Cl}^-$ 带 $-1$，两者电荷数值相等、符号相反。当每个 $\text{Na}^+$ 对应一个 $\text{Cl}^-$ 时：

$+1 + (-1) = 0$

正负电荷完全抵消，整体显电中性。这也是离子化合物（如氯化钠）对外不显电性的原因——阳离子带的正电荷总量等于阴离子带的负电荷总量。

$x = 2$

需要2个 $\text{Cl}^-$ 才能中和1个 $\text{Ca}^{2+}$ 的电荷，因此化学式写作 $\text{CaCl}_2$，答案为B。

$\text{P}^{3-}$ 共有18个电子，带3个单位负电荷（$15 - 18 = -3$）。

（3）从内到外逐层分配18个电子：

$\text{第一层：}2 \text{个} \quad \text{第二层：}8 \text{个} \quad \text{第三层：}18 - 2 - 8 = 8 \text{个}$

$\text{P}^{3-}$ 的核外电子排布为2、8、8，最外层8个电子，达到稳定结构。

原子序数18的氩（Ar）核外电子排布也是2、8、8，因此 $\text{P}^{3-}$ 与氩的电子排布相同。

$\text{Al}^{3+}$ 共有10个电子，带3个单位正电荷（$13 - 10 = +3$）。

（2）氧原子得到2个电子：

$\text{O} + 2e^- \rightarrow \text{O}^{2-}$

氧的原子序数为8，有8个质子，原有8个电子，得到2个后：

$8 + 2 = 10 \text{（个电子）}$

$\text{O}^{2-}$ 共有10个电子，带2个单位负电荷（$8 - 10 = -2$）。

（3）在 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 中：铝离子2个，每个带 $+3$；氧离子3个，每个带 $-2$：

$\text{正电荷总量} = 2 \times (+3) = +6$

$\text{负电荷总量} = 3 \times (-2) = -6$

$+6 + (-6) = 0$

正负电荷总量相等，整体显电中性，验证成立。这也解释了为何氧化铝的化学式是 $\text{Al}_2\text{O}_3$ 而非 $\text{AlO}$ 或其他比例——只有2:3的个数比才能使正负电荷完全抵消。