共价键与配位（配位共价）键
欢迎来到化学键的世界！这一章绝对是基础中的基础，因为它解释了原子是如何“粘”在一起，形成我们周围一切事物的分子——从我们呼吸的空气到细胞内的 DNA。
我们将超越简单的共用电子概念，深入探讨这些键的几何形状与强度。如果轨道重叠（orbital overlap）这些概念听起来很复杂，请不用担心；我们会一步步为你拆解！
1. 共价键：共享的伙伴关系 (教学大纲 3.4.1)
共价键主要发生在非金属原子之间。与离子键中电子完全转移的情况不同，共价键涉及电子的共用。
共价键的定义
你必须掌握的官方定义是：
共价键是两个原子的原子核与共用电子对之间的静电引力。
共价键如何形成
当两个原子靠近时，它们的电子云会发生重叠。这个重叠区域内的电子会同时受到两个原子带正电荷原子核的吸引，从而有效地将这两个原子束缚在一起。
温馨小提示： 共价键让原子能达成稳定的电子构型，通常是填满最外层电子壳层，形成稳定的八隅体（8 个电子）。
常见的共价分子与成键模式
你需要能够描述许多简单分子的成键方式（使用教学大纲 3.7 中涵盖的电子式，即 Lewis 结构，或文字描述）：
- 单键（共用一对电子）：
例子： 氢气 (\(\text{H}_2\))、氯气 (\(\text{Cl}_2\))、氯化氢 (\(\text{HCl}\))、水 (\(\text{H}_2\text{O}\))、氨 (\(\text{NH}_3\))、甲烷 (\(\text{CH}_4\))、乙烷 (\(\text{C}_2\text{H}_6\))。 - 双键（共用两对电子）：
例子： 氧气 (\(\text{O}_2\))、二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))、乙烯 (\(\text{C}_2\text{H}_4\))。 - 三键（共用三对电子）：
例子： 氮气 (\(\text{N}_2\))。
你知道吗？ 成键强度会随着单键、双键到三键而增加，因为共用的电子对越多，原子核与电子之间的吸引力就越强。
2. 八隅体扩展 (教学大纲 3.4.1(b))
大多数原子在最外层拥有 8 个电子时最稳定（八隅体规则）。然而，第 3 周期及以后的原子有时会突破这个限制，容纳 10 个、12 个甚至更多的电子。
为什么第 3 周期的元素可以扩展八隅体？
硫 (S) 和磷 (P) 等元素位于元素周期表的第 3 周期。这意味着除了 3s 和 3p 轨道外，它们还有空的 3d 轨道可用。
这些空的 d 轨道可以在形成成键时容纳额外的电子，使该原子能与超过四个周围原子进行成键。
八隅体扩展的例子（价电子超过 8 个）：
- 二氧化硫 (\(\text{SO}_2\))： 硫在成键结构中使用了超过 8 个电子。
- 五氯化磷 (\(\text{PCl}_5\))： 磷形成了五个键，导致中心 P 原子周围有 10 个电子。
- 六氟化硫 (\(\text{SF}_6\))： 硫形成了六个键，导致中心 S 原子周围有 12 个电子。
重点总结： 八隅体扩展只发生在第 3 周期或以后的元素，因为它们拥有能量上可用的 d 轨道来参与成键。
3. 配位（配位共价）键 (教学大纲 3.4.1(c))
配位共价键是一种特殊的共价键。
配位共价键的定义
这是一种共用的两个电子皆来自同一个原子的成键。提供电子对的原子称为供体 (donor)；接受电子对的原子称为受体 (acceptor)。
比喻： 想象一般的共价键就像两个朋友各出 $1 去买一个 $2 的零食。配位键就像一个大方的朋友出了全部的 $2 买下零食，但大家依然平等地共享它。
配位键的重要例子：
1. 铵根离子 (\(\text{NH}_4^{+}\))：
氨 (\(\text{NH}_3\)) 的氮原子上有一个孤对电子。而氢离子 (\(\text{H}^+\)) 本质上是一个空出价电子壳层的质子。
氮原子将其孤对电子提供到 \(\text{H}^+\) 离子空的 1s 轨道中，形成配位键。
\(\text{NH}_3 + \text{H}^+ \rightarrow \text{NH}_4^{+}\)
（在课程范围内，这通常以氨气与氯化氢气体的反应为例。）
2. 二聚氯化铝 (\(\text{Al}_2\text{Cl}_6\))：
在高温下，氯化铝以单体 \(\text{AlCl}_3\) 存在。然而，铝是第 13 族元素，在 \(\text{AlCl}_3\) 中，它只有 6 个价电子（缺电子）。
两个 \(\text{AlCl}_3\) 分子结合形成二聚体 \(\text{Al}_2\text{Cl}_6\)。两个氯原子（来自两个不同的 \(\text{AlCl}_3\) 单元）将孤对电子提供给另一个单元中缺电子的铝原子，形成两个桥接两个铝原子的配位键。
快速复习： 若要辨认配位键，请寻找孤对电子供体和缺电子的受体（通常是金属离子或像 \(\text{AlCl}_3\) 这样的分子）。
4. 深入探讨：轨道重叠与杂化 (教学大纲 3.4.2)
共价键并非凭空出现；它们是由原子轨道的重叠形成的。这种重叠产生了两种截然不同的共价键：sigma (\(\sigma\)) 键与 pi (\(\pi\)) 键。
4.1. Sigma (\(\sigma\)) 键
sigma 键 (\(\sigma\)) 是由成键原子间轨道的直接（头对头）重叠所形成。
- 这可以是 s-s 重叠（例如在 \(\text{H}_2\) 中）。
- 这可以是 s-p 重叠（例如在 \(\text{HCl}\) 中）。
- 这可以是头对头的 p-p 重叠（例如在 \(\text{Cl}_2\) 中）。
- 所有单键都是 sigma 键。
- Sigma 键非常强，因为电子密度集中在连接两个原子核的轴线上。
4.2. Pi (\(\pi\)) 键
pi 键 (\(\pi\)) 是由相邻 p 轨道的侧向重叠所形成。
- 重叠发生在 sigma (\(\sigma\)) 键线段的上下方。
- Pi 键存在于多重键（双键和三键）中。
- 双键包含一个 \(\sigma\) 键和一个 \(\pi\) 键。
- 三键包含一个 \(\sigma\) 键和两个 \(\pi\) 键。
- Pi 键通常比 sigma 键弱，因为侧向重叠的效果不如头对头重叠有效。
4.3. 杂化轨道 (Hybridisation) (教学大纲 3.4.2(c))
当原子形成成键时，它们原本的 s 和 p 轨道常会混合产生新的、完全相同的轨道，称为杂化轨道。这能实现最大程度的重叠并最小化排斥作用，进而决定分子的形状（将在教学大纲 3.5 进一步探讨）。
-
\(\text{sp}^3\) 杂化： 混合一个 s 轨道和三个 p 轨道，形成四个相同的 \(\text{sp}^3\) 轨道。
存在于： 单键（例如甲烷 \(\text{CH}_4\)、乙烷 \(\text{C}_2\text{H}_6\)）。所有键结皆为 \(\sigma\)。 -
\(\text{sp}^2\) 杂化： 混合一个 s 轨道和两个 p 轨道，形成三个相同的 \(\text{sp}^2\) 轨道，留下一个未杂化的 p 轨道。
存在于： 双键（例如乙烯 \(\text{C}_2\text{H}_4\)）。双键包含一个 \(\sigma\) 键（来自 \(\text{sp}^2\) 重叠）和一个 \(\pi\) 键（来自未杂化 p 轨道的重叠）。 -
\(\text{sp}\) 杂化： 混合一个 s 轨道和一个 p 轨道，形成两个相同的 \(\text{sp}\) 轨道，留下两个未杂化的 p 轨道。
存在于： 三键（例如氮气 \(\text{N}_2\)、氰化氢 \(\text{HCN}\)）。三键包含一个 \(\sigma\) 键（来自 \(\text{sp}\) 重叠）和两个 \(\pi\) 键（来自未杂化 p 轨道的重叠）。
如果一开始觉得很难，别担心！ 记住这个关系是关键：
单键 \(\rightarrow\) 1 个 \(\sigma\) 键 \(\rightarrow\) \(\text{sp}^3\)
双键 \(\rightarrow\) 1 个 \(\sigma\) 键、1 个 \(\pi\) 键 \(\rightarrow\) \(\text{sp}^2\)
三键 \(\rightarrow\) 1 个 \(\sigma\) 键、2 个 \(\pi\) 键 \(\rightarrow\) \(\text{sp}\)
5. 键能与键长 (教学大纲 3.4.3)
共价分子的性质，特别是其反应活性，与其键的强度与长度密切相关。
5.1. 定义
键能 (或键焓)
定义： 在气态下，断开一摩尔特定共价键所需的能量。
成键断裂是一个吸热过程（需要输入能量），因此键能总是以正值表示（\(\Delta H\) 为正）。
注意： 许多键能数值是平均值，因为断开特定键（例如 C-H 键）所需的能量可能会随所处的分子环境而略有不同。
键长
定义： 两个以共价键结合的原子的核间距。这是两个原子中心之间的距离。
5.2. 比较反应活性
我们利用键能和键长来比较分子的反应活性：
- 键强度与键长的关系： 一般而言，越短的键越强（需要更多能量来断开）。
- 多重键： 三键比双键短且强，双键又比单键短且强。
- 反应活性： 含有较弱键（低键能）的分子通常更具反应活性，因为启动反应（即断开既有化学键）所需的能量较少。
例子： 乙烯 (\(\text{C}_2\text{H}_4\)) 中的碳-碳双键由一个强 \(\sigma\) 键和一个较弱的 \(\pi\) 键组成。相对较弱的 \(\pi\) 键很容易断裂，使得乙烯比只包含强 \(\sigma\) 键的乙烷 (\(\text{C}_2\text{H}_6\)) 反应性高得多。
重点总结： 较短且较强的键通常导致分子反应活性较低，而较长且较弱的键则会增加反应活性。
章节总结：共价键与配位键
我们学到了共价键涉及电子的共用，定义为原子核与共用电子对之间的静电引力。第 3 周期元素可以不按常规，利用 d 轨道来扩展八隅体。
我们也认识到配位键是独特的，因为其中一个原子提供了两个电子。
最后，我们探讨了成键类型：\(\sigma\) 键（头对头重叠，较强）构成了键的核心，而\(\pi\) 键（侧向重叠，较弱）出现在多重键中，且常需要轨道杂化（\(\text{sp}^3, \text{sp}^2, \text{sp}\)）以最大化成键效率。这些结构决定了键能与键长，进而影响了化学反应活性。恭喜你顺利掌握了这些核心概念！