化学键:离子键、共价键与分子形状

原子为何成键:八隅体规则

大多数主族原子"想"拥有 8 个价电子(八隅体)——即稀有气体的电子构型。它们通过共享、转移或共用电子来实现这一目标。这些方式定义了键的类型。

离子键——电子的转移

金属失去电子;非金属获得电子。结果:异号电荷的离子被静电吸引力束缚在一起。经典例子:

Na(失去 1 个 e⁻) → Na⁺ Cl(获得 1 个 e⁻) → Cl⁻ Na⁺ + Cl⁻ → NaCl

离子化合物的性质:

• 熔点/沸点高(静电作用力强)
• 硬但脆(离子错位时会相互排斥)
• 在熔融或溶解状态下导电(自由离子),固态时不导电
• 通常易溶于极性溶剂(水)

写化学式时用交叉法平衡电荷。Ca²⁺ + Cl⁻ → CaCl₂。Al³⁺ + O²⁻ → Al₂O₃。

共价键——电子的共享

两个非金属共享一对或多对电子。每一共享电子对 = 一个键。三种类型:

• 单键——1 对共享电子(2 个电子)。例:H₂ 中的 H-H。
• 双键——2 对共享电子(4 个电子)。例:O₂ 中的 O=O,或 CO₂ 中的 C=O。
• 三键——3 对共享电子(6 个电子)。例:N₂ 中的 N≡N。极强,极短。

键的强度与长度顺序:三键 > 双键 > 单键(最强、最短的排在前)。

极性共价键与非极性共价键

如果两个成键原子电负性相同,电子被均等分享(非极性共价)。如果电负性不同,电子会偏向电负性更大的原子 → 极性共价,产生部分电荷(δ⁺ 与 δ⁻)。

经验法则(采用鲍林电负性差):

• ΔEN < 0.5 → 非极性共价(例:C-H)
• 0.5 ≤ ΔEN ≤ 1.7 → 极性共价(例:H-O)
• ΔEN > 1.7 → 离子键(例:Na-Cl)

金属键——共用的电子海

在金属中,价电子不属于个别原子——它们形成一片包围金属阳离子核心的离域"电子海"。这解释了金属的性质:

• 导电——电子自由流动
• 延展性、可锻性——离子可以互相滑过,电子海随之调整
• 光泽——电子吸收并再发射可见光
• 导热性高——电子把动能带走

合金是金属的混合物(黄铜 = Cu+Zn;青铜 = Cu+Sn;钢 = Fe+C),保留金属键但常常带来更好的机械性能。

路易斯结构——把键画出来

路易斯结构用点表示价电子,用线表示键。作图步骤:

1. 计算所有原子的价电子总数。
2. 把电负性最低的原子放在中心(通常如此)。
3. 用单键把每个周围原子与中心原子相连。
4. 把剩余电子作为孤对电子分配,满足八隅体。
5. 若原子没有满足八隅体,把孤对电子转为双键或三键。

例:CO₂。总价电子 = 4 + 6 + 6 = 16。两对双键(O=C=O),每个 O 各 2 对孤对,C 无孤对。

VSEPR——预测分子形状

价层电子对互斥理论:中心原子周围的电子对会尽量远离彼此。

孤对电子比成键电子对占据更多空间,会略微压缩键角。

分子极性——几何形状很关键

如果分子既有极性键,又具有不能使键偶极相互抵消的非对称形状,那么它就是极性的。H₂O(弯曲形)是极性,键偶极相加。CO₂(线性且两端原子相同)是非极性——键偶极精确抵消。CH₄(四面体、四个键的原子相同)也是非极性。

分子间作用力(IMF)——虽然较弱却极为关键

这些力作用在分子之间(不是分子内部)。从最弱到最强:

• 伦敦色散力——存在于所有分子;瞬时波动偶极。
• 偶极-偶极——存在于极性分子之间。
• 氢键——偶极-偶极的一种特殊情况;H 直接与 F、O、N 相连。用来解释水异常高的沸点。

IMF 的强度决定了沸点、熔点、粘度、表面张力——液体所有"物理"性质。

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• VSEPR 分子形状识别(线性、弯曲、四面体)
• 离子键、共价键、金属键的分类