無機化學/化學鍵/簡介

一個簡單的表示，顯示了鍵合的氫氯化物 (HCL) 分子的結構

在化學的世界裡，目前已知有 118 種元素。所有這些元素在特定條件下相互結合，形成稱為分子或簡稱為化合物的複合粒子。透過將兩個或多個相同或不同元素的原子結合形成分子，來形成這些化合物的過程被稱為化學鍵。這種現象的結果被稱為化學鍵。在整個無機化學中，術語鍵可以被認為與力同義。因此，化學鍵被定義為可以將兩個或多個原子物種結合在一起的強吸引力。這裡的原子物種，或多或少，可以指原子本身。一個單鍵連線兩個原子，儘管兩個原子之間可能存在多重鍵。化學鍵被定義為可以將兩個或多個原子結合在一起的吸引力。一個單鍵連線兩個原子。更全面地說，化學鍵也可以被定義為一種吸引力，它將兩個或多個不同型別的原子結合在一起，以一種方式，一個化學鍵產生一個雙原子單元，該單元本身就是新的分子或形成的新物種的一部分，稱為分子或化合物。例如，在一個水分子中，氧原子與兩個氫原子鍵合，O-H 鍵充當一個單元（水分子有兩個這樣的單元）。因此，化學鍵是導致這種單元的力。這些類似或不同的單元將根據需要再次相互結合，再次藉助化學鍵，形成化合物。這種化合物的性質通常不同於參與鍵合的各個元素的性質。

所有元素都根據其性質允許它們鍵合的方式相互結合，透過這些化學鍵，形成了超過 700 萬種已知化合物。這與語言字母表中的一些字母以不同的模式排列，產生無數單詞，進而形成許多句子相同。正如語法規定了語言中詞語和句子的形成規則一樣，也有一些條件規定了不同元素之間形成化學鍵。每種鍵型別的這些條件將在後續主題中詳細討論。但是，在瞭解化學鍵的含義之後，我們必須解釋化學鍵合的基本因素：為什麼發生化學鍵合？原子透過化學鍵相互結合的原因是什麼？另一個問題是，當原子處於其基態時呈中性，是什麼物質負責它們之間的力，稱為鍵？換句話說：化學鍵是如何形成的？最後一個基本問題是：如何透過觀察形成的鍵來確定化合物性質的變化？這三個是化學鍵合的基本問題。再次列出它們

• 為什麼發生化學鍵合？
• 化學鍵是如何形成的？
• 如何透過觀察形成的鍵來確定化合物性質的變化？

價態

在嘗試回答上述每個問題之前，我們必須瞭解原子的一個重要特徵。這個特徵被稱為價態或化合價。雖然這個概念是在 18 世紀發展起來的，但價態的第一個理論是由愛德華·弗蘭克蘭在 1852 年提出的。價態這個詞源於拉丁語Valencia，意思是容量。這意味著它是原子的結合能力。因此，元素的價態被定義為該元素的一個原子與多少個氫原子或氯原子結合形成化合物。H 和 Cl 的價態被認為是 1。例如，由於氧與兩個氫原子結合形成水分子，因此氧的價態被認為是 2。但是這種評估價態的方法得出了可變的和分數的價態。氮在化合物 NH₃、N₂H₄ 和 N₃H 中的價態分別為 3、2 和 1/3。因此，這會增加更多的混亂，因此，價態的定義被認為是元素的一個原子在一個分子或化合物中可以形成的化學鍵的數量。但是即使這樣也產生了可變的價態，沒有解決混亂。但是，在發現稱為電子的帶負電的基元粒子之後，價態理論得到了很好的改進。這個理論被稱為電子價鍵理論。它闡明瞭我們現在知道的事實，即電子是化學鍵合的原因。根據這個理論，價態是原子最外層電子殼中存在的電子數量。這個電子殼被稱為價層。該理論將在解決化學鍵合的第一個基本問題後詳細討論。

鍵合的原因

如前所述，化學鍵合是兩個或多個相同或不同元素的原子之間發生的一些相互作用。但是我們必須友好地同意，這並不是為了形成化合物而發生的。這些化合物的形成完全是無意的，人類對它們的利用也是一樣的偶然性。這些相互作用的原因是相當自然的。

能量的總體下降

宇宙中的每個系統都傾向於保持在最低能量形式。這是一個公認的公理。由於原子也是一個自然系統，因此它也具有獲得具有最低勢能狀態的趨勢。只有在這種情況下，原子才會結合在一起。這意味著原子鍵合的基本原因是它們透過形成鍵來釋放其儲存的勢能。這是化學組合的唯一原因。現在我們必須理解化學鍵的形成是如何導致原子中儲存的能量下降的？這需要一些關於功-能定理的知識。根據這個定理，對系統所做的功等於同一系統的動能變化。

$W=\Delta \mathrm {KE} -(1)\$

我們還知道功等於力與位移的乘積，前提是這兩個向量方向相同。或者我們也可以說功是力向量與位移向量的點積。

$W={\vec {F}}\cdot {\vec {d}}-(2)$

公式 (1) 和 (2) 意味著力與位移的乘積等於系統的動能變化。

${\vec {F}}\cdot {\vec {d}}=\Delta \mathrm {KE}$

但根據能量守恆定律，動能的正變化等於勢能的負變化。

$\Delta \mathrm {KE} =-\Delta \mathrm {PE}$

在相互作用過程中起作用的力的圖示。

因此，隨著力與位移的點積增加，勢能減少。這個規則解釋了原子之間的相互作用。例如，如果兩個原子彼此靠近，就會出現三種類型的吸引力和排斥力。它們是

1. 兩個原子電子（兩個原子）與兩個原子核之間的吸引力。
2. 兩個原子核之間的排斥力。
3. 電子之間的排斥力。

為了使原子結合，吸引力應大於排斥力。如果這三種力的功的合力為正，則原子儲存的勢能減少。因此，只要沒有外部因素干擾這種相互作用，這兩個原子都傾向於繼續相互作用。如果上述三種力的功為負，則形成鍵的可能性較小。請記住，能量的降低會導致原子之間的相互作用，這種相互作用不能解釋為鍵，因為這種相互作用很容易受到外部干擾。因此，它們不太穩定。鍵是指更牢固地結合原子，從而產生更穩定的化合物。此外，需要注意的是，原子鍵合的根本原因始終是能量的降低。

獲得穩定的構型

如上所述，原子只有在儲存的勢能降低時才會相互結合。而影響原子儲存能量的因素之一是其電子構型。1916 年，世界著名的化學家吉爾伯特·N·路易斯和沃爾特·考塞爾獨立發現，在普通條件下，屬於元素週期表最後一組的惰性氣體元素的原子具有最小的勢能。發現這是由於它們最外層電子殼或價層的電子構型。在這種情況下，它們不需要與任何其他原子形成鍵，這意味著它們在化學上是惰性的。因此，任何其他原子，無論其原子序數如何，只要其價層的構型與這些惰性氣體最外層殼的構型相同，就被認為具有最小能量，因此更穩定。這被稱為八隅體規則。除了氦，所有其他惰性氣體最外層殼的構型都是 ns², np⁶。氦的最外層殼的構型只是 ns²。然而，由於氦的價層沒有 p 軌道，最外層殼中的 2 個電子對穩定性是可以接受的。只有在沒有 p 軌道的情況下才適用。因此，最外層殼的構型為 ns², np⁶ 或 ns²（在特殊情況下）的原子是穩定的。它們在這種狀態下穩定的原因還為時過早。因此，在這個水平上，我們必須將其視為公理。

因此，原子總是傾向於獲得這種惰性氣體的構型。它們透過與其他原子相互作用並與它們形成鍵來實現這一點。這種鍵形成的機制回答了化學鍵合的第二個基本問題。在瞭解了價鍵電子理論之後，將對其進行詳細解釋。由此，我們瞭解到原子中電子的排列是化學鍵合的原因。因此，電子間接地導致了化學鍵合。需要注意的是，八隅體規則並不總是適用。有一些例外，將在八隅體規則的失效中解釋。

價鍵電子理論

價鍵電子理論是賦予價鍵獨特性質的理論。它實際上是由於電子的發現而發展起來的。由於它是一個將價鍵與電子聯絡起來的理論，因此被稱為價鍵電子理論。該理論由吉爾伯特·N·路易斯和沃爾特·考塞爾提出。正如我們所知，他們發現惰性氣體由於其最外層電子殼的構型而呈惰性。它們的最外層殼中有 8 個電子，氦除外。這意味著最外層殼中的電子數量與原子的穩定性有關。換句話說，電子本身就是化學鍵合的原因。因此，發展了這個理論。這個理論還解釋了鍵是如何形成的。這個理論的主要要點是

1. 價鍵是指給定原子最外層電子殼中的電子數量。這個最外層殼稱為價層。
2. 在普通條件下，那些價層構型為 ns², np⁶ 或只是 ns²（在特殊情況下）的元素在化學上呈惰性。它們具有最小的儲存能量，不需要形成任何鍵。這些被稱為惰性氣體。
3. 沒有上述價層構型的原子不太穩定。它們總是傾向於獲得惰性氣體的構型，即價層中有 8 個電子，並獲得穩定性。
4. 可以透過與其他原子相互作用來獲得上述價層構型。這些相互作用有兩種型別
   1. 以這樣一種方式獲得或失去電子，即最終兩個原子都有 8 個價電子。
   2. 原子之間共享電子。（注意：電子只能成對共享）

原子獲得、失去或共享電子是導致原子之間吸引的相互作用。因此，這些相互作用可以稱為鍵。涉及電子獲得或損失的相互作用稱為離子鍵，而涉及共享的相互作用稱為共價鍵。這些鍵型別的全面分類將在下一節討論。現在，價鍵電子理論可以總結如下：兩個或多個原子的結合方式是電子重新排列（透過轉移或共享電子），以便它們都獲得具有最小儲存能量的惰性氣體構型。

化學鍵的形成

現在我們知道電子是化學鍵合的原因，我們將能夠回答第二個問題。化學鍵是透過兩個原子之間的相互作用形成的，這些相互作用涉及相互作用原子中電子的重新排列。這種重新排列可能是由於電子的轉移或共享。這些重新排列導致將相互作用的原子結合在一起的力量。這些力稱為鍵。有許多型別的鍵。首先，我們將學習三種基本的鍵型別。其中兩種非常相似。它們是

離子鍵

這是由於一個原子向另一個原子轉移電子而形成的鍵。這種轉移導致原子形成相反的電荷。這些帶電原子（稱為離子）相互吸引，形成鍵。

共價鍵

在這種鍵中，相互作用的原子共享電子對。但兩個原子都應該貢獻相同數量的電子，以便它們都獲得八隅體構型。

配位鍵

這與共價鍵類似。但是，這裡共享的電子對只由一個原子貢獻。換句話說，一個原子貢獻兩個電子，而另一個原子不貢獻任何電子，用於共享。

除此之外，還有另一種型別的鍵，即金屬鍵。在這種鍵中，金屬在其所有原子之間共享電子。我們將在後面的章節中詳細學習所有這些鍵型別。我們將在適當的時候介紹更多化學鍵理論。

路易斯符號

一些元素的路易斯點結構

路易斯符號，也稱為路易斯點結構，是用來表示任何元素原子的結構。它們以吉爾伯特·N·路易斯命名，他於1916年在他的文章《原子與分子》中引入了這些結構。這些結構被廣泛用於象徵性地表示一個原子的化合價（最外層電子數）。這些符號基本上讓我們瞭解原子價層中未配對電子的數量。它們用元素符號表示，周圍環繞著點或叉。任何元素的點數量最多為8，因為原子的化合價不能超過8。為了書寫一個原子的結構，我們首先需要知道該原子的確切電子構型。然後我們需要計算原子最外層/價層中的電子數量。最外層軌道上的電子數量決定了原子的化合價。這些點或叉被放置在元素符號周圍。

例如，氯在其最外層有7個電子。這意味著它的化合價為7。然後氯的路易斯符號用7個點或叉環繞它的符號（Cl）表示，如旁邊圖所示。透過這種方式我們發現Cl有一個未配對電子。我們也可以用類似的方法繪製任何元素原子的路易斯結構。路易斯結構也可以繪製成鍵合的原子。這些方面將在另一章中討論。

第三個問題？

化學鍵合的第三個問題是：鍵的性質如何決定形成化合物的性質？ 這個問題的答案主要取決於原子之間的鍵型別。因此，我們可以詳細瞭解化合物的特性，這取決於其形成過程中所涉及的鍵型別。然而，有些化合物的性質不能用鍵型別來解釋。為了解釋它們，提出了許多其他化學鍵理論。我們將在適當的時候學習它們。