地球行星/3f. 化學鍵（離子鍵、共價鍵和其他）
原子之間形成三種主要的鍵，將它們連線成一個分子：共價鍵、離子鍵和金屬鍵。由於分子本身的配置相關的吸引性質，還有其他方法可以將原子弱弱地連線在一起，包括氫鍵。
共價鍵 是化學中最強的原子間鍵。共價鍵是兩個或多個原子共享價電子以完成其軌道殼層。共價鍵的最簡單示例是在兩個氫原子鍵合時發現的。請記住，每個氫原子都有 1 個質子和 1 個電子，但是要填滿 s1 軌道需要 2 個電子。氫原子將成對分組，每個原子貢獻一個電子到 s1 軌道殼層。化學氫將成對，這由化學式 H2 表示。可以透過引入氧與氫來說明另一種常見的共價鍵。請記住，氧需要兩個價電子來填滿其一組電子軌道，因此它與 2 個氫原子鍵合，每個氫原子都有 1 個價電子在原子之間共享。H2O 是冰或水的化學式，其中 2 個氫原子（每個原子都有一個電子）與一個氧原子鍵合，該氧原子需要 2 個電子來填滿其 s2 p2 軌道。在共價鍵中，原子共享電子以完成軌道殼層，並且由於電子在原子之間共享，因此共價鍵是化學中最強的鍵。
例如，氧將配對以共享 2 個電子（稱為雙鍵），形成 O2。氮也一樣，配對形成 N2，透過共享 3 個電子（稱為三鍵）。然而，在氮和氫的存在下，氫將與氮鍵合形成 NH3（氨），因為它需要每個氫原子貢獻 3 個電子來填滿所有軌道。碳有 4 個價電子，最常與氫鍵合形成 CH4（甲烷或天然氣），因為它需要每個氫原子貢獻 4 個電子。透過兩個原子共享 4 個或更多個電子形成的鍵非常罕見。
電子在原子之間平均分配使得這些鍵非常強。共價鍵可以形成晶格結構，當價電子用於將原子連線在一起時。例如，鑽石是由連線的碳原子組成的。每個碳原子與另外 4 個碳原子連線，每個碳原子之間共享一個電子。如果連線的碳形成環狀結構，而不是晶格結構，則碳以石墨的形式存在（用在鉛筆末端）。如果連線的碳形成晶格結構，則晶體形式更硬，即鑽石。因此，石墨鉛筆芯和珍貴鑽石之間的唯一區別是碳原子之間的鍵在共價鍵中如何連線在一起。
離子鍵 是化學中最弱的原子間鍵型別。離子鍵是一個原子給出一個價電子以完成另一個原子的軌道殼層。例如，鋰只有一個價電子，它想擺脫它，因此它會將電子給予或貢獻給一個氟原子，而氟原子需要一個額外的價電子。在這種情況下，電子沒有被兩個原子共享，但是，當鋰給出其價電子時，它會變成帶正電，因為它擁有的電子少於質子。而氟，將擁有比質子更多的電子，並且會帶負電。由於這種電荷，原子將被吸引在一起。質子和電子數量不同的原子稱為離子。 離子 可以是像鋰一樣的帶正電的，稱為陽離子，也可以是像氟一樣的帶負電的，稱為陰離子。
您遇到的一個關於離子鍵的絕佳示例是食鹽，它由鈉 (Na) 和氯 (Cl) 組成。鈉有一個額外的價電子，它想放棄，而氯希望吸收一個額外的電子來填滿其軌道，這會導致鈉 (Na) 和氯 (Cl) 離子鍵合形成食鹽。但是，鹽中的鍵很容易斷裂，因為它們不是透過共享電子，而是透過它們不同的電荷來保持在一起的。當鹽滴入水中時，水分子會拉開鈉和氯，形成鈉和氯離子（鹽溶解在水中）。離子化學式通常表示為 Na+ 和 Cl− 來表示電荷，其中 + 符號表示陽離子，− 符號表示陰離子。有時一個原子會放棄或接收兩個或更多個電子，例如鈣通常會放棄兩個電子，形成帶 +2 正電荷的陽離子 Ca2+。
共價鍵和離子鍵之間的區別在於，在共價鍵中，電子在原子之間共享，而在離子鍵中，電子在原子之間給出或接收。一個很好的類比是兩個孩子的友誼。如果朋友們分享一個球，透過互相傳遞，他們彼此之間以共價鍵的形式結合在一起，因為球在他們之間是平等共享的。但是，如果一個朋友有一個額外的冰淇淋蛋筒，並將其交給他們的朋友，那麼他們彼此之間以離子鍵的形式結合在一起。
一些分子可以同時具有離子鍵和共價鍵。一個很好的例子是常見的分子碳酸鈣 CaCO3。碳原子與三個氧原子共價鍵合，這意味著它在碳原子和氧原子之間共享電子。通常碳只與兩個氧原子共價鍵合（形成二氧化碳 CO2），每個氧原子共享兩個電子，總共 4 個。然而，在碳酸鹽的情況下，三個氧原子與碳鍵合，其中 2 個共享 1 個電子，而 1 個共享 2 個電子，這會導致 2 個額外的電子。因此 CO3-2 有兩個額外的電子，它想放棄，並且帶負電。鈣原子比完整殼層多 2 個電子，並且會失去這些電子，形成帶 +2 正電荷的陽離子，Ca+2。因此離子 CO3-2 和 Ca+2 具有相反的電荷，它們將鍵合在一起並形成 CaCO3，碳酸鈣，這是石灰石和生活在海洋中的貝殼生物中常見的一種分子。與鹽不同，CaCO3 不會輕易溶解在純水中，因為離子鍵相當強，但是如果水略微酸性，CaCO3，碳酸鈣會溶解。
當溶液中含有大量氫離子時，該溶液被稱為酸性溶液。氫離子失去 1 個電子，形成陽離子 H+。當溶液中氫離子過量時，這些氫離子會透過與陰離子鍵合來斷開離子鍵。例如，在 CaCO3 中，氫離子可以與 CO3-2 形成鍵，形成 HCO3- 離子，稱為碳酸氫根，溶解 CaCO3 分子。酸透過引入可以溶解形成這些離子鍵的分子的氫離子來斷開離子鍵。請注意，含有大量陰離子（例如 OH-）的溶液也可以斷開離子鍵，這些溶液被稱為鹼。因此，鹼性溶液是含有過量陰離子的溶液。在這種情況下，鈣將與 OH- 陰離子形成鍵，形成 Ca(OH)2，氫氧化鈣，它在水溶液中被稱為石灰水。
H+ 和 OH- 離子的比例用 pH 值來衡量，使得 pH 值為 7 的溶液具有相同數量的 H+ 和 OH- 離子，而酸性溶液的 pH 值小於 7，含有更多的 H+ 陽離子，而鹼性溶液的 pH 值大於 7，含有更多的 OH- 陰離子。
金屬鍵 是金屬的獨特特徵，可以描述為一種特殊的離子鍵，涉及在帶正電荷的離子（陽離子）結構中共享自由電子。由金屬鍵合原子組成的材料表現出高導電性，因為電子可以自由地在原子之間穿過其表面。這就是為什麼電線由銅、金和鐵等金屬組成，因為它們可以沿著其表面傳導電流，因為電子在許多原子鍵之間均勻地共享。由金屬鍵合組成的材料也具有金屬光澤或光彩，並且由於這些鍵的柔韌性，更容易延展（彎曲）。
金屬鍵容易受到氧化。氧化是一種化學反應型別，其中金屬鍵合原子失去電子到氧化劑（通常是氧原子），導致金屬原子與氧共價鍵合。例如，鐵 (Fe) 可以是 Fe2+（二價鐵）或 Fe3+（三價鐵）陽離子，它們會失去電子，並可以從氧 (O-2) 中獲得這些缺失的電子，氧在其軌道中有兩個額外的電子，從而形成一系列稱為氧化鐵的分子，例如 Fe2O3。這就是為什麼金屬（如鐵）會生鏽或腐蝕，而銀會隨著時間的推移而變黑。這些金屬鍵透過從周圍的氧原子中獲得額外的電子來與周圍的氧原子發生反應。氧氣在空氣中、水中和酸性溶液（腐蝕性溶液）中很常見，防止金屬氧化的唯一方法是限制其與氧氣（以及其他原子，如氟，它們有額外的電子）的接觸。
當電子被獲得時，反應被稱為還原反應，它是氧化的反義詞。總的來說，這些型別的化學反應被稱為“氧化還原”反應，它們是化學中的一個重要方面。此外，氧化還原反應中電子的轉移是電池中儲存多餘電子（電力）的一種有效方法。
共價鍵、離子鍵和金屬鍵都需要原子之間交換電子，因此它們都是相當強的鍵，其中共價鍵是最強的鍵型別。然而，分子本身會因為原子的排列而發生極化，因此一個分子可以具有正極和負極。這經常發生在含有與較大原子鍵合的氫原子的分子中。這些型別的鍵非常弱，很容易斷裂，但在水的化學和對生命必不可少的生物分子中產生了非常重要的方面。氫鍵 在水中形成，是液態水和固態冰之間體積膨脹的原因。水是由氧原子與兩個氫原子共價鍵合而成的 (H2O)。這兩個氫原子的分佈將一個電子貢獻給 p2 軌道，p2 軌道需要 6 個電子。因此，由於第一個 p2 軌道中的一對電子，這兩個氫原子被稍微推向彼此，形成了一個類似“老鼠耳朵”的分子。這兩個氫原子帶正電荷，與氧原子另一側沒有氫原子的那一側相比，使分子在氫原子側略帶正電荷。因此，水分子以弱鍵的形式相互取向，這些弱鍵位於帶正電荷的氫原子和原子負電荷側的開放空間之間。氫鍵最好被認為是在共價鍵合到更具電負性的原子（如氧 (O) 和氮 (N)）上的氫 (H) 原子之間的靜電引力。氫鍵非常弱，但在生物體中提供了重要的鍵，例如 DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結構中的螺旋內部的鍵，氫鍵在植物組織和血管中的水運輸毛細管力中很重要，以及細胞膜中的疏水（斥水）和親水（吸水）有機分子。
氫鍵通常被認為是一種特殊的弱範德華分子力，它會導致帶電或極化分子之間靜電相互作用的吸引或排斥。這些力很弱，但它們在使某些分子比其他分子更“粘稠”方面發揮作用。正如你將在後面學到的，水由於這些氫鍵而成為一種特別“粘稠”的分子。
| 上一頁 | 當前 | 下一頁 |
|---|---|---|