Bonding

3.1.3 化学键 (国际AS) - 综合学习笔记

你好，未来的化学家！这一章非常重要。为什么呢？因为原子结合在一起的方式（化学键）以及分子相互作用的方式（分子间作用力）决定了我们所观察到的物质的一切性质——比如熔点、硬度，以及是否导电。理解化学键是所有化学知识的基石！

3.1.3.1 离子键：静电吸引的威力

离子键的核心就是异性相吸！它通常发生在金属和非金属之间。

• 定义： 离子键是指带有相反电荷的离子，按规则的、重复的排列方式（称为离子晶格）结合时，离子之间存在的强静电吸引力。
• 形成方式： 电子从金属原子（形成正离子，即阳离子）转移（而非共用）到非金属原子（形成负离子，即阴离子）。

预测离子电荷（利用周期表）

我们通常可以根据简单离子在周期表中的位置来预测其电荷：

• 第1族： 失去1个电子，形成+1价离子（例如 Na⁺）。
• 第2族： 失去2个电子，形成+2价离子（例如 Mg²⁺）。
• 第13族（铝）： 失去3个电子，形成+3价离子（例如 Al³⁺）。
• 第16族： 得到2个电子，形成-2价离子（例如 O^2-）。
• 第17族： 得到1个电子，形成-1价离子（例如 Cl^-）。

构建离子化合物的化学式

离子化合物的整体电荷必须为零（呈电中性）。你必须平衡正负电荷。

示例：镁离子 (\(Mg^{2+}\)) 和氯离子 (\(Cl^{-}\))

1. Mg 需要+2电荷，Cl 需要-1电荷。
2. 为了平衡，每1个 Mg 离子需要 2 个 Cl 离子。
3. 化学式为：\(MgCl_2\)。

你还需要掌握一些重要原子团离子（多原子离子）的化学式：

• 硫酸根： \((SO_4)^{2-}\)
• 氢氧根： \((OH)^{-}\)
• 硝酸根： \((NO_3)^{-}\)
• 碳酸根： \((CO_3)^{2-}\)
• 铵根： \((NH_4)^{+}\)（这是你需要掌握的唯一一种常见的阳离子团！）

3.1.3.2 共价键与配位共价键的本质

共价键：电子的“共享经济”

共价键主要在两个非金属原子之间形成。它涉及原子之间共享一对电子。

• 单共价键是由一对共享电子构成的，用一条短线（—）表示。
• 多重键（双键或三键）涉及两对或三对共享电子（例如 \(C=C\) 或 \(C \equiv C\)）。

配位共价键（配位键）

这是一种特殊的共价键。同样存在共享，但共享电子对中的两个电子都仅由其中一个原子提供。

• 表示方法： 配位键用箭头（\(\rightarrow\)）表示。箭头从提供孤对电子的原子指向接受电子对的原子。
• 示例： 氨气 (\(NH_3\)) 与氢离子 (\(H^{+}\)) 反应形成铵离子 (\(NH_4^{+}\))。\(NH_3\) 中的氮原子将其孤对电子提供给 \(H^{+}\) 离子上的空轨道。

如果刚开始觉得困惑也不用担心： 一旦形成，配位键在化学性质上与普通共价键完全相同；唯一的区别仅仅在于它的来源方式。

3.1.3.3 金属键

金属键解释了为什么金属具有良好的导电性，以及为什么它们具有金属光泽和延展性。

• 结构： 金属由规则排列的正离子（阳离子）晶格组成。
• 键合： 外层电子在整个结构中是离域的（可以自由移动）。
• 定义： 金属键是金属正离子与周围“离域电子海”之间的强静电吸引力。

3.1.3.5 简单分子和离子的形状（VSEPR 理论）

价层电子对互斥理论（VSEPR）决定了分子的形状。由于电子带负电，它们会相互排斥。为了使这种排斥力最小化，它们会尽可能地彼此远离。

电子对排斥层级

并非所有电子对的排斥力都相等。孤对电子（非键合电子）占据的空间更大，因此比键合电子对（BP）产生更强的排斥力。

排斥力强弱：

1. 孤对-孤对排斥 (LP-LP) 是最强的。
2. 孤对-键合排斥 (LP-BP) 次之。
3. 键合-键合排斥 (BP-BP) 是最弱的。

这种排斥力不相等就是为什么含有孤对电子的分子（如水或氨气）中，键角会略小于理想键角（如甲烷中的键角）。

VSEPR 使用步骤指南

1. 计算中心原子周围的电子对总数（键合对 + 孤对）。
2. 确定使排斥力最小化的基本几何排列（电子对几何构型）。
3. 根据原子所处的位置确定最终的分子形状（分子几何构型）。

常见形状（最多六个电子对）

总电子对	键合对 (BP)	孤对 (LP)	电子构型	分子形状	键角（近似）
2	2	0	直线型	直线型	\(180^{\circ}\)
3	3	0	平面三角形	平面三角形	\(120^{\circ}\)
3	2	1	平面三角形	V型（角型）	< \(120^{\circ}\) (如 \(SO_2\))
4	4	0	四面体型	四面体型	\(109.5^{\circ}\) (如 \(CH_4\))
4	3	1	四面体型	三角锥型	\(107^{\circ}\) (如 \(NH_3\))
4	2	2	四面体型	V型（角型）	\(104.5^{\circ}\) (如 \(H_2O\))
5	5	0	三角双锥型	三角双锥型	\(90^{\circ}, 120^{\circ}\)
6	6	0	八面体型	八面体型	\(90^{\circ}\)

3.1.3.6 键的极性与电负性

电负性

共价键中的电子并不总是被均等共享。电负性的概念可以帮助我们理解这一点。

• 定义： 电负性是指原子在共价键中吸引共享电子对的能力。
• 变化规律： 同一周期内电负性通常随原子序数增加而增大（原子变小），同一族内随原子序数增加而减小（原子变大）。氟（F）是电负性最强的元素。

极性共价键

当两个原子的电负性不同时，电子分布就是不对称的，从而形成极性共价键。

• 电负性较大的原子对电子的吸引力更强，从而获得少量负电荷（\(\delta-\)）。
• 电负性较小的原子则获得少量正电荷（\(\delta+\)）。
• 极性表示： 使用部分电荷 \(\delta+\) 和 \(\delta-\) 来表示。

分子偶极（永久偶极）

一个分子可能含有极性键，但整个分子可能是非极性的。这取决于它的对称性。

• 如果分子是不对称的（如 \(HCl\), \(H_2O\), \(NH_3\)），偶极不能相互抵消，分子就具有净永久偶极。
• 如果分子是高度对称的（如 \(CO_2\), \(CH_4\), \(CCl_4\)），各个键的偶极在相反方向上相等，会相互抵消。即使分子内部含有极性键，它也没有永久偶极。

类比： 想想拔河比赛。如果有两组力气完全相同的队伍向完全相反的方向拉（\(CO_2\) 是直线型，\(C \leftarrow O\) 和 \(C \rightarrow O\)），绳子（分子）就不会动。如果拉力不均匀或成一定角度（\(H_2O\) 是 V 型），绳子就会移动，产生净力（即永久偶极）。

3.1.3.7 分子间的作用力

分子间作用力（IMF）是分子之间微弱的相互吸引力。它们至关重要，因为它们决定了分子物质的熔点和沸点。

1. 诱导偶极-偶极力（范德华力 / 分散力 / 伦敦力）

• 存在于所有分子之间（无论是极性还是非极性分子）。
• 产生原因是电子的不断随机运动。在任何瞬间，电子分布可能不均匀，产生一个瞬时的偶极。
• 这个临时偶极会在邻近分子中诱导出一个偶极，从而产生微弱的吸引力。
• 强度： 这些力随着分子中电子数量（或大小/质量）的增加而增大。较大的分子具有更强的范德华力。

2. 永久偶极-偶极力

• 仅存在于极性分子之间（具有永久偶极的分子）。
• 一个极性分子的正电荷端会吸引相邻极性分子的负电荷端。
• 强度： 对于大小相似的分子，这比范德华力要强。

3. 氢键（最强的分子间作用力）

氢键是一种特殊的、非常强的偶极-偶极吸引力，仅当氢（H）与三种电负性最强的原子之一共价键合时才会发生：氮 (N)、氧 (O) 或氟 (F)（可以记忆为“NOF”规则）。

• H 原子带有很大的 \(\delta+\) 电荷，而 N、O 或 F 原子带有很大的 \(\delta-\) 电荷且拥有孤对电子。
• 强的吸引力发生在 \(\delta+\) 的氢原子与相邻分子中 N、O 或 F 原子上的孤对电子之间。

氢键的重要性

氢键导致了物质的反常性质，在水中表现尤为突出：

• 反常的沸点： \(H_2O\), \(HF\), 和 \(NH_3\) 等化合物的沸点比预期要高得多，相比之下，类似的没有氢键的分子（如 \(H_2S\), \(HCl\)）沸点则低很多。这是因为需要额外的能量来断开强大的氢键。
• 冰的密度较低： 当水结冰时，氢键将分子固定在一种刚性的、开放的晶格结构中。这种结构比液态水占据的空间更大，使冰的密度更低（这就是冰会浮在水面上的原因！）。

3.1.3.4 化学键与物理性质：结构决定命运

物质的物理性质（如熔点和导电性）完全取决于其结构和所含的键类型。

四种晶体结构

我们将结构归纳为四种主要类型：

1. 分子结构（简单分子）
2. 大分子结构（巨型共价晶体）
3. 离子结构（巨型离子晶格）
4. 金属结构（巨型金属晶格）

结构与熔点、导电性的关系

1. 分子结构

• 示例： 冰 (\(H_2O\)), 碘 (\(I_2\))。
• 分子内键合： 强共价键。
• 分子间作用力： 微弱的分子间作用力（范德华力、偶极-偶极力或氢键）。
• 熔/沸点： 低。状态改变时只需克服微弱的分子间作用力（所需能量很小）。
• 导电性： 在任何状态下都不导电（没有移动的带电粒子）。

2. 大分子（巨型共价）结构

• 示例： 金刚石、石墨、二氧化硅 (\(SiO_2\))。
• 键合： 强共价键贯穿整个结构。
• 熔/沸点： 极高。需要巨大的能量来破坏成千上万个强共价键。
• 导电性：
  • 金刚石： 不导电（所有价电子都固定在四个共价键中）。
  • 石墨： 导电。它具有层状结构，层间存在离域电子，允许电荷流动。

3. 离子结构

• 示例： 氯化钠 (\(NaCl\))。
• 键合： 巨型晶格中的强静电吸引力（离子键）。
• 熔/沸点： 高。需要大量能量来克服强吸引力。
• 导电性：
  • 固体： 不导电（离子固定在晶格中）。
  • 熔融态（液体）或水溶液（溶解）： 导电（离子变得可自由移动，可以携带电荷）。

4. 金属结构

• 示例： 镁 (\(Mg\))。
• 键合： 强金属键（阳离子与离域电子之间的吸引力）。
• 熔/沸点： 通常较高（取决于电荷密度和离子大小，但比分子结构强）。
• 导电性： 在固体和液体状态下都是优良导体（由于可移动的离域电子）。

状态变化中的能量变化

当物质发生状态变化（如固体变液体，或液体变气体）时，我们测量的是克服粒子间吸引力所需的能量。

• 熔化/沸腾（固体 \(\rightarrow\) 液体 \(\rightarrow\) 气体）： 此过程需要能量（吸热）。能量用于克服分子间作用力，或在巨型结构中克服化学键。
• 冷凝/凝固（气体 \(\rightarrow\) 液体 \(\rightarrow\) 固体）： 此过程释放能量（放热）。当粒子之间形成吸引力（分子间作用力或化学键）时，能量会释放出来。