IB 化學/鍵合
簡單來說，化學鍵將原子連線在一起形成更復雜的結構（如分子或晶體）。鍵合可以在相同元素的原子之間發生，也可以在不同元素的原子之間發生。有幾種型別的化學鍵具有不同的性質並導致不同的結構。
離子鍵發生在正離子和負離子（帶電原子）之間。這種型別的鍵合很少發生在只有兩個原子之間，但通常會導致形成離子固體，其中離子排列成剛性晶格。NaCl（普通鹽）是離子物質的例子。
共價鍵發生在原子相互共享電子時。這導致兩種型別的結構：分子和共價網路固體。甲烷 (CH4) 是一種共價分子，玻璃是一種共價網路固體。在分子中，我們可以區分原子對之間的單個共價鍵。
兩個原子之間的相互作用是共價的還是離子的，可以根據原子的電負性來預測。
| 鍵型別 | 原子電負性之差 | 例子 |
|---|---|---|
| 非極性共價鍵 | 0.0-0.4 | F2, CH4 |
| 弱極性鍵 | 0.5-0.9 | Cl2O, NH3 |
| 中等極性鍵 | 1-1.3 | CO2, SiCl4 |
| 強極性鍵 | 1.4-1.7 | H2O, Al2Cl6 |
| 弱離子鍵 | 1.8-2.2 | NaCl, Al2O3 |
| 離子鍵 | 2.3+ | Na2O, CsF |
金屬鍵發生在金屬原子之間。在金屬鍵合的物質中，原子的外層電子可以自由移動——它們是離域的。原則上，所有電子都可以表現為離域波，但在具有共價鍵或離子鍵的物質中，可獲得的能級數量等於電子數量，這使得這種波的特性不那麼明顯。在金屬中，可獲得的能級比電子多得多，這使得電子可以自由移動並導電。鋁、錫、鉛、銀都是金屬鍵合的元素，但也有具有金屬鍵合的化合物，如合金和金屬間化合物。
化學鍵是化學研究中最關鍵的概念之一。事實上，材料的性質基本上是由它們包含的原子型別和數量以及它們如何鍵合在一起決定的。
4.1.1 : 離子鍵 - +ve（陽離子）和 -ve（陰離子）離子相互吸引並形成連續的離子晶格。
離子是帶電的原子或分子。陽離子帶正電荷，陰離子帶負電荷。當原子獲得或失去電子時，就會形成離子。由於電子帶負電荷，失去電子的原子會帶正電荷（類似地，獲得一個或多個電子的原子會帶負電荷）。
離子鍵發生在帶正電荷和負電荷的離子之間。這些帶相反電荷的離子相互吸引並保持靠近——它們形成離子鍵。靜電定律解釋了為什麼會發生這種情況：異性相吸，同性相斥。當許多離子相互吸引時，它們會形成大型的有序晶格，其中每個離子都被帶相反電荷的離子包圍。當金屬與非金屬形成離子鍵時，電子從金屬元素轉移到非金屬。當形成離子時，稱為電離
這裡應該有一個離子固體的圖表
當金屬和非金屬發生化學反應時，就會產生離子。由於其較低的電離能，金屬原子如果失去電子形成完整的價電子層並帶正電荷，則其不穩定性很小。同樣，非金屬透過獲得電子來完成其價電子層並帶負電荷而得到極大的穩定。當金屬和非金屬接觸時，金屬透過將電子轉移到非金屬而失去電子，非金屬則獲得電子。因此，形成離子，它們會立即相互吸引。離子鍵是由陽離子和陰離子之間的靜電吸引力引起的，這是由於庫侖力。吸引過程通常不會停止在兩個離子處，而是繼續涉及許多離子，這些離子堆疊成固體晶格結構，在該結構中，無法區分單個“鍵”或單個分子。
4.1.2 : 1 族金屬形成 +1 離子，2 族金屬形成 +2 離子，3 族金屬形成 +3 離子。例子 : Li+, Mg2+, Al3+...Li->Cs 的電離更容易，這是由於由額外的內層電子引起的核吸引力的電子遮蔽作用增強。原子越容易電離，它們就越活潑，因為電離它們所需的能量越少，因此它們更容易反應。
4.1.3 : 6 族離子將形成 2- 離子，7 族離子將形成 1- 離子。例子 : O2-, Cl-...
4.1.4 : 過渡金屬（從 Ti 到 Cu 的元素，忽略 Sc 和 Zn）可以形成多種離子（即 Fe2+, Fe3+）（由於 4s 和 3d 殼的接近性）
4.1.5 : 二元化合物中鍵合的離子或共價性質是其電負性差異的結果...NaCl(s) 是離子性的，HCl(g) 是（極性）共價的（此外，共價分子往往是氣體/液體，離子性往往是固體……除了網路共價，它將是固體）。一般來說，如果電負性差異大於 1.7，則鍵將超過 50% 離子性。
4.1.6 : 取 1、2 或 3 族金屬的名稱並新增……氟化物、氯化物、溴化物、碘化物等、氧化物、硫化物、氮化物或磷化物…
共價鍵的一個有用模型稱為價鍵模型。它指出，共價鍵是在原子為了完成其價（外層）電子層而相互共享電子時形成的。它們主要在非金屬之間形成（例如，氯、硫、碳等）。
共價鍵合物質的例子是氫氣 (H2)。一個單獨的氫原子有一個電子——它有空間容納兩個電子以完成其價電子層。當兩個氫原子鍵合時，每個原子與其另一個原子共享其電子，即電子被兩個原子核而不是一個原子核吸引，從而釋放能量。現在，兩個原子都可以利用兩個電子：它們成為一個穩定的 H2 分子，由一個單共價鍵連線。
共價鍵也可以在其他非金屬之間形成，例如氯。氯原子在其價層中有 7 個電子 - 它需要 8 個電子來完成其價層。兩個氯原子可以分別共享 1 個電子來形成一個單共價鍵。它們成為 Cl2 分子。
氧也可以形成共價鍵；然而，它需要另外 2 個電子來完成其價層（它有 6 個電子）。兩個氧原子必須分別共享 2 個電子來完成彼此的價層，總共共享 4 個電子。因為共享的電子數量是兩倍，所以這被稱為 **雙共價鍵**。
此外，氮有 5 個價電子（它需要另外 3 個）。兩個氮原子可以分別共享 3 個電子（總共 6 個）來形成一個由 **三共價鍵** 連線的 N2 分子。
與趨勢相反，碳不會共享 4 個電子來形成四重鍵。這是因為碳的第四對電子無法物理上足夠靠近以被共享。價鍵模型透過考慮所涉及的 **軌道** 來解釋這一點。此外，透過與 4 個其他碳原子形成 4 個單鍵來形成 **金剛石** 結構，可以釋放更多能量。
回想一下，電子在原子中以電子雲（軌道）的形式存在。價鍵模型基於以下原理：不同原子上的軌道必須 **重疊** 才能形成鍵。軌道重疊有幾種不同的方式，形成幾種不同的共價鍵型別。
第一種也是最簡單的重疊方式是兩個 s 軌道結合在一起。它被稱為 **σ 鍵**（sigma 或 'σ' 是 's' 的希臘語等價物）。σ 鍵也可以在兩個指向彼此的 p 軌道之間形成。
σ 鍵圖片 - 請按 1 號O sigma bond.jpg
第二種同樣重要的重疊方式是兩個平行的 p 軌道之間。它們不是頭對頭重疊（如 σ 鍵），而是並排連線，在分子之上和之下形成兩個電子密度區域（離域化）。這種型別的重疊被稱為 **π 鍵**（'π'，來自 p 的希臘語等價物）。
4.2.1 : 共價鍵是兩個原子各捐贈 1 個電子形成一對電子，這對電子位於兩個原子之間...這種鍵通常由電負性差異很小的原子形成...例如有機化學中的 C、H 和 O。
4.2.2 : 所有電子必須成對...路易斯結構是用元素符號表示，並帶有剩餘的價電子，並且剩餘的電子配對...通常 C 形成 4 個鍵，N 形成 3 個鍵，O 形成 2 個鍵，鹵素形成 1 個鍵，H 形成 1 個鍵...(Li 會形成 1 個鍵，Be 形成 2 個鍵，B 形成 3 個鍵，但它們通常不會...金屬或離子鍵)
4.2.3 : 電負性值範圍從 0.7 到 4...分別從左下到右上（氫位於 B 和 C 之間，電負性為 2.1...）。
4.2.4 : 當共價分子具有電負性差異（在兩個成鍵原子之間）時，電子對將更靠近電負性更大的原子...導致電負性更大的原子帶少量負電荷，而另一個原子帶少量正電荷...導致極性鍵。
4.2.5 : 具有 4 個電子對的分子形狀取決於孤對的數量。
3 個孤對 -> 線性，2 個孤對 -> 角形，1 個孤對 -> 三角錐形，無孤對 -> 四面體。
4.2.6 : 分子的極性取決於鍵的形狀和極性...1) 如果沒有極性鍵，則該分子不是極性的。2) 如果有極性鍵，但形狀是對稱的，則該分子不是極性的（可以把它想象成 3D 向量加法...如果它們加起來為零，則該分子不是極性的）。3) 如果有極性鍵，並且該分子不是對稱的，則該分子是極性的。
4.3.1 : 範德華力 - 電子不會始終均勻地分佈在原子/分子周圍，這意味著分子在一端將帶輕微正電荷，而在另一端帶負電荷。這種臨時狀態可能會導致兩個分子之間的吸引力，將它們拉在一起（也稱為倫敦色散力）。極性分子在適當的方向上會因偶極-偶極力而相互吸引。偶極-偶極力比範德華力更強。氫鍵是氫與氮、氧或氟鍵合時形成的非常強的偶極，使氫帶很強的正電荷。然後，這種氫被吸引到其他類似分子上的孤對電子 - 氮、氧和氟都有孤對電子 - 形成氫鍵，它比範德華力或偶極-偶極力更強，但比共價鍵更弱。
4.3.2 : 結構特徵 - 非極性分子只有範德華力。這也存在於所有其他分子中，但其強度與其他力相比通常微不足道。極性分子具有偶極-偶極力，它源於極性鍵和分子中的不對稱性。氫鍵來自強烈的δ+氫。這導致具有氫鍵的分子表現出更強的分子間力，即更高的沸點/熔點等。例如，H2O 由於氫鍵而比 H2S 具有更高的沸點。中性分子不導電，但一些極性分子交換質子形成離子，例如 2H2O 生成 H3O+ 和 OH-。
4.4.1 : 金屬原子失去它們的外層電子，這些電子然後離域化，並可以在整個金屬中自由移動。這些負離域電子強烈地將金屬陽離子結合在一起。由於這些電子可以流動，因此具有金屬鍵的原子表現出高電導率。參與鍵合的價電子數量和原子核電荷強度決定了鍵合強度。與離子鍵不同，扭曲原子不會引起排斥，因此金屬物質是延展的（可以拉成細絲）和可鍛的（可以製成薄片）。自由移動的電子還允許高熱導率，電子可以攜帶熱能，而不是透過原子振動緩慢傳遞。
金屬鍵發生在金屬原子之間。一個價電子海圍繞著正金屬離子。電子可以在由此產生的晶體中自由移動。電子的離域性質解釋了金屬的一些獨特特性：它們是良好的電導體，它們是延展的，這意味著它們可以製成細絲，並且它們是可鍛的，這意味著它們可以很容易地錘成薄片。
熔點和沸點：離子鍵、金屬鍵和網路共價鍵很高。共價分子鍵很低。
揮發性：共價分子物質是揮發性的，其他物質則不是。
導電性：金屬物質可以導電。極性分子物質可以導電，非極性分子物質則不能。離子物質在熔融狀態或溶解在水中時可以導電，但在固態時不能導電。
溶解度：離子物質 -> 通常溶解在極性溶劑（如水）中。金屬物質 -> 溶解在液態金屬中。非極性分子通常溶解在非極性溶劑中，極性分子溶解在極性溶劑中。具有極性頭的有機分子 -> 短鏈分子可溶於極性溶劑，但長鏈最終會超過極性“頭部”，並溶解在非極性溶劑中。
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離子鍵物質通常具有以下特徵。
- 高熔點（室溫下為固體）
- 硬
- 脆（易碎）
- 有些溶於水
- 溶解或熔化時導電
- 通常比共價鍵更強。
主題 14 是主題 4 的附加 HL 材料。