The covalent model

共價鍵模型：分擔負荷

各位同學好！本章節——共價鍵模型，絕對是化學科的核心。離子鍵模型解釋了金屬與非金屬之間如何轉移電子，而共價鍵模型則解釋了非金屬原子如何透過共享電子，形成了我們日常生活中接觸到的絕大多數化合物——從水分子到 DNA 皆是如此。

如果不習慣處理抽象的鍵結概念也不用擔心；我們將會利用簡單的規則與視覺模型（如路易斯結構式與 VSEPR 理論）來預測分子的結構與性質。掌握這些模型，就能讓你從微觀層面徹底理解這個世界！

1. 共價鍵基礎 (SL & HL)

什麼是共價鍵？

共價鍵是指共享電子對與參與鍵結原子之帶正電原子核之間的靜電吸引力。它主要發生在兩個非金屬原子之間。

• 原子透過共享電子以達到穩定且充滿的最外層電子殼層，通常滿足八隅體規則（8 個價電子）。
• 類比：想像共價鍵就像兩個朋友共享一本教科書。兩人都需要這本書來應付考試，因此他們協議共同擁有它，並將其放在兩人都能接觸到的中間位置。

鍵級、鍵長與鍵能

原子可以共享一對、兩對或三對電子，從而形成不同類型的鍵。鍵級是指兩個特定原子之間共享電子對的數目。

• 單鍵（鍵級 1）： 共享一對電子（例如 H–H）。
• 雙鍵（鍵級 2）： 共享兩對電子（例如 O=O）。

以下是這些性質之間的關鍵關係：

鍵能與鍵長：

• 當鍵級增加（單鍵 \(\rightarrow\) 雙鍵 \(\rightarrow\) 三鍵）時，原子被拉得更近。因此，鍵長會縮短。
• 較短的鍵意味著共享電子被原子核抓得更緊。因此，鍵強度（能量）會增加。

重點總結：三鍵最短且最強；單鍵則最長且最弱。

2. 分子表示法：路易斯結構式 (SL & HL)

繪製路易斯結構的步驟指南

路易斯結構式（或電子點式）是一種直觀呈現分子中價電子、鍵結電子對與孤對電子（未鍵結電子）的簡單方法。

步驟：

1. 計算總價電子數： 加總所有原子的價電子。若是離子，帶負電荷則加一個電子，帶正電荷則減一個電子。
2. 確定中心原子： 通常是電負度最低的原子（氫除外）。將其他原子對稱地圍繞在它周圍。
3. 形成單鍵： 用單線（代表共享的一對電子）連接中心原子與周圍原子，並從總數中減去這些電子。
4. 填滿八隅體（優先處理外部原子）： 將剩餘電子作為孤對電子填入外部原子，直到滿足八隅體規則（氫則滿足二隅體）。
5. 填滿中心原子： 將剩餘的電子填入中心原子（作為孤對電子）。
6. 檢查與調整（使用多重鍵）： 若中心原子仍未滿足八隅體，將外部原子的孤對電子移入形成雙鍵或三鍵，直到所有原子都滿足八隅體規則為止。

八隅體規則的例外 (SL & HL)

雖然八隅體規則很好用，但自然界不總是嚴格遵循它。你必須認清以下三種主要例外：

1. 八隅體不足： 如鈹 (Be, 4 個電子) 和硼 (B, 6 個電子) 等原子，少於 8 個電子時也很穩定。範例：\(BF_3\)。
2. 擴張八隅體（HL 重點）： 第三週期或以下的原子（如 P, S, Cl 等）可以利用空的 d 軌域容納超過 8 個電子，達到 10 或 12 個價電子。範例：\(SF_6\) (12 個電子)。
3. 奇數電子分子（自由基）： 總價電子數為奇數的分子無法讓所有原子都滿足八隅體。這類物質通常極具活性。範例：一氧化氮 (\(NO\))。

3. 預測形狀：VSEPR 理論 (SL & HL)

有了路易斯結構後，我們需要了解分子的真實 3D 形狀，這決定了它的物理性質。我們使用 VSEPR 理論（價層電子對互斥理論）。

VSEPR 原則

核心概念很簡單：中心原子周圍的電子域（電子密度區域）會互相排斥，並移動到彼此距離最遠的位置，以將排斥力降至最低。

• 電子域可以是一個單鍵、一個雙鍵、一個三鍵或一個孤對電子。（關鍵點：多重鍵在計算時算作一個域）。
• 孤對電子排斥力： 孤對電子之間的排斥力大於「孤對電子-鍵結電子對」的排斥力，後者又大於「鍵結電子對-鍵結電子對」之間的排斥力。這種差異會導致鍵角比理想幾何形狀的角度稍小。範例：水 (\(H_2O\)) 的鍵角為 104.5°，略小於四面體的理想角度 109.5°。

電子域幾何與分子幾何

我們區分兩種幾何形狀：

1. 電子域幾何： 所有電子域（包含鍵結與未鍵結）的排列。
2. 分子幾何： 僅原子的排列（由鍵結域的位置決定）。

電子域的數量決定了基本幾何形狀。

總電子域	電子域幾何	孤對電子	分子幾何	大約鍵角	範例
2	直線形	0	直線形	180°	\(CO_2\)
3	平面三角形	0	平面三角形	120°	\(BF_3\)
3	平面三角形	1	角形 (V-shaped)	< 120°	\(SO_2\)
4	四面體	0	四面體	109.5°	\(CH_4\)
4	四面體	1	三角錐形	< 109.5°	\(NH_3\)
4	四面體	2	角形 (V-shaped)	<< 109.5°	\(H_2O\)

HL 學生注意：你必須同時掌握 5 個與 6 個電子域的幾何形狀（分別為三角雙錐與八面體）。它們會產生如蹺蹺板形、T 形、平面正方形與四角錐形等結構。

重點總結：孤對電子決定了分子形狀，但肉眼看不見；它們會將鍵結電子對推得更近，從而縮小鍵角。

4. 分子極性 (SL & HL)

共價鍵存在於一個連續的光譜中。雖然電子是共享的，但並非總是「平均」共享。這就引出了極性的概念。

第一步：鍵極性

鍵極性由兩個原子之間的電負度差 (\(\Delta EN\)) 決定。

• 非極性共價鍵： 電子平均共享（\(\Delta EN\) 非常小，例如 \(H_2\)）。
• 極性共價鍵： 電子共享不平均。電負度較大的原子會更強烈地吸引共享電子，形成偶極矩（部分正電荷 \(\delta+\) 與部分負電荷 \(\delta-\)）。範例：H-Cl。

類比：鍵極性就像拔河。如果兩隊實力相當（非極性），繩子會在中間；如果其中一隊更強（極性），繩子中心就會偏向較強的那一側。

第二步：分子極性

分子含有極性鍵並不代表整個分子就是極性的。分子極性取決於所有個別鍵偶極的向量和。簡單來說，它取決於對稱性。

• 非極性分子： 由於對稱的幾何結構，鍵偶極互相抵消。範例：\(CO_2\)（直線形）與 \(CH_4\)（四面體）。
• 極性分子： 鍵偶極無法抵消，導致整個分子產生淨偶極矩。這發生在分子不對稱或含有孤對電子（孤對電子會強烈將電子密度拉向一側）時。範例：\(H_2O\)（角形）與 \(NH_3\)（三角錐形）。

對稱性規則：

如果中心原子周圍被相同的原子包圍，且中心原子上沒有孤對電子，該分子通常是非極性的。如果這兩個條件有任何一項不符合，分子就很可能是極性的。

5. HL 延伸：離域作用、混成軌域與軌域

A. 共振結構與形式電荷

有時，單一的路易斯結構無法準確表示分子內的真實鍵結狀況。

• 共振結構： 當可以為同一個分子畫出兩個或多個等價的路易斯結構（僅僅是電子/雙鍵位置不同）時，真實結構是所有可能性的平均（即共振雜化體）。參與其中的電子在整個結構中離域（delocalized），使鍵長與強度變得一致（例如碳酸根離子 \({CO_3}^{2-}\) 中的兩個 C-O 鍵）。

當可以畫出多個不等價的結構時，我們使用形式電荷 (FC) 來判斷哪一個結構最穩定（合理）。

形式電荷計算：

\[FC = (\text{價電子數}) - (\text{非鍵結電子數}) - \frac{1}{2} (\text{鍵結電子數})\]
或者使用 IB 標準標記法：\(FC = V - N - B/2\)

判斷合理性的規則：最好的結構是：

1. 所有原子的形式電荷盡可能趨近於零。
2. 負的形式電荷位於電負度最大的原子上。

B. 混成軌域：解釋分子形狀

VSEPR 成功預測了幾何形狀，但標準原子軌域 (s, p) 無法解釋碳如何在四面體形狀中形成四個等價的鍵（如 \(CH_4\)）。

混成（Hybridization）是原子軌域 (s 和 p) 的混合，形成新的、相同的混成軌域以適合鍵結，從而得到 VSEPR 預測的幾何結構。

電子域與混成的關係非常直接：

• 2 個域：sp（直線形）
• 3 個域：sp\(^2\)（平面三角形）
• 4 個域：sp\(^3\)（四面體）
• 5 個域：sp\(^3\)d（三角雙錐）
• 6 個域：sp\(^3\)d\(^2\)（八面體）

記憶小撇步：數一下電子域就知道了！混成名稱中的上標數字總和（不含 HL 的 d）必須等於電子域的總數（例如 sp\(^3\) 代表 1 個 s 軌域 + 3 個 p 軌域 = 4 個域）。

C. Sigma (\(\sigma\)) 與 Pi (\(\pi\)) 鍵

混成有助於根據軌域重疊方式解釋兩類共價鍵：

1. Sigma (\(\sigma\)) 鍵： 由軌域端對端重疊（混成軌域或未混成的 s 軌域）形成。它們允許鍵軸自由旋轉。所有單鍵皆為 \(\sigma\) 鍵。
2. Pi (\(\pi\)) 鍵： 由未混成的 p 軌域側對側重疊形成。它們會限制旋轉。

鍵類型拆解：

• 單鍵：一個 \(\sigma\) 鍵
• 雙鍵：一個 \(\sigma\) 鍵與一個 \(\pi\) 鍵
• 三鍵：一個 \(\sigma\) 鍵與兩個 \(\pi\) 鍵

你知道嗎？由 \(\pi\) 鍵引起的旋轉限制，正是為什麼雙鍵分子（如某些脂肪）會產生不同的幾何異構物（順反異構/順式與反式，或 E/Z 異構）的原因。

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章節總結：重點回顧

共價鍵模型提供了建立分子的規則。請記住分析的核心步驟：

1. 路易斯結構： 計算電子數並確保滿足八隅體（如適用）。
2. VSEPR： 計算電子域（孤對電子 + 鍵結對）以預測 3D 分子幾何形狀。
3. 極性： 檢查鍵極性與分子對稱性以判定總體極性。
4. (HL) 混成軌域： 利用電子域數量分配正確的混成軌域模型 (sp, sp\(^2\), sp\(^3\) 等)。

有系統地遵循這些模型，你就能準確預測大量化學物質的化學行為與物理性質！繼續練習你的路易斯結構吧——它們是所有後續學習的基石！