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共价键

铜臭 / 2022-07-19

1.共价键的形成。离子键理论虽然能够解释金属与非金属互相化合形成化合物分子的原因，但是无法说明同种原子或者性质相近的元素原子是怎样结合成分子的，例如H₂、Cl₂及HCI,H₂O分子等。因为同种原子或性质差不多的原子吸引电子的能力相同或者相差不多，不可能像钠和氯那样发生电子的转移形成离子健。为了说明这类分子的形成，人们从实践中总结出共价键的理论。

按照共价键的类型理论，原子相互化合成分子时，各原子要达到稳定的电子层结构，可以通过两个原子各拿出一个(或几个)未成对的电子组成一对(或几对)电子来实现。这些电子对为相互化合的原子所共用，也就是说，它们既在一个原子的电子层中，同时也在另一个原子的电子层中，这些电子对，叫做共用电子对。这种由于共用电子对引起的两原子之间的强烈作用力，称为共价键。例如同类原子形成分子—氢分子、氯分子、氮分子一的过程可用下列电子式表示:

其中两个氢原子和两个氯原子之间共有一对共用电子，即有一个共价键，而两个氮原子之间共有三对共用电子，所以有三个共价键。这样分子中每个原子都有了稳定的电子层结构。

此外，不同非金属原子形成的化合物分子，例如氯化氢、水、氨等分子的形成也相类同，可用下列电子式来表示:

式。由共价键所形成的化合物叫共价化合物。

在共价化合物中，两个原子间共用的电子对数，就是它们的共价数。显然，每个原子的共价数，就等于该原子在构成共价键时所提供的电子数。例如在HCI、H₂O和NH₃分子中，H和Cl的共价数都为1，O的共价数为2，N的共价数为3。共价数无正、负之分。

根据近代物理学观点，共用电子对围绕着两个原子核运动，因此它们在两核之间的区域内出现的机会最多，也就是在两核之间电子云的密度最大，这样在两个原子核之间，好像构成了一个负电桥，把两个带正电荷的原子核联系起来，而形成共价键，也就是说共价键的形成是由于电子云重叠的结果。显然，电子云重叠的程度越大，所形成的共价键就越牢固。因此在形成共价键时，电子云总是尽可能地达到最大限度的重叠。图4-1表示氢分子中氢原子的1s电子形成共价键时电子云重叠的示意图。

这里必须指出，原子形成共价键时成键的两个电子，自旋方向必须相反，如果两个未成对的电子自旋方向相同，它们将会互相排斥，电子云就不会重叠，因而两个原子就不能成键。

2.共价键的特征:

(1)饱和性。前面已经指出，形成共价键的条件是成键的两个原子必须各有未成对的、自旋方向相反的电子，才能使电子云重叠形成共价键。因此，当一个电子与另一个电子配对后，就不能再和第三个电子配对，这种性质叫做共价键的饱和性。

(2)方向性。在共价键的形成过程中，电子云要尽可能达到最大的重叠，才能形成最稳定的共价键。但是我们知道，除了s电子云呈球形对称外，其它P、d、f电子云在空间伸展都有一定的方向性，所以原子结合成分子时，就必须采取电子云密度最大的方向进行重叠，这种性质叫做共价键的方向性。例如H原子的1s电子和Cl原子中的1个未成对的3p电子(如3Pₓ)化合成HCI分子时,由于P亚层三个轨道的电子云分别在x、Y、z三个对称轴的方向上密度最大，所以H原子的1s电子如沿着20轴和CI原子的3pₓ电子相互重叠(图4-2)，才能达到电子云密度最大程度的重叠，形成稳定的共价键。

如前所述，离子键没有方向性和饱和性。这是离子键区别于共价键的两个重要特征。

(3)类型。共价键是由原子间共用电子对形成的，根据共用电子对在原子间是否有偏移，又将共价键分为非极性键和极性键。

当相同元素的原子形成共价键时，例如Cl—Cl, O=O,N≡N等非金属单质分子，它们的共用电子对是均等地属于两个原子。也就是说，共用电子对在两个原子的中间，即共价键不显正、负极。这种不显正、负两极的共价键叫非极性键，如上述 Cl₂、O₂、 N₂等非金属单质分子中的共价键。

当不同元素的原子形成共价键时，由于两种原子吸引电子的能力不相同，因此共用电子对不是均等地属于两个原子，而是偏向于吸引电子能力较强的原子一边。例如在HCI分子中，共用电子对偏向于非金属性较强的CI原子一边，使共价键具有正、负极。这种具有正、负两极的共价键叫做极性键。

为了比较形成分子时原子之间吸引电子能力的大小，引入了元素电负性的概念。所谓元素的电负性是指原子在分子中吸引电子的能力。元素的电负性大，表示吸引电子的能力强。通常规定以金属锂的电负性为1.0作标准(或非金属元素氟的电负性为4.0作标准)，然后通过比较而得到其它元素电负性的相对值，如表4-2所示。

从表4-2中可看出，元素的电负性在同一周期中主族元素的电负性自左至右逐渐增夫，在同一主族中自上到下逐渐减小;位于周期表右上角的元素电负性最大，位于周期表左下角的元素电负性最小。碱金属和卤素的电负性相差最大，它们相互作用时，发生电子的转移,形成典型的离子键。在周期系中间的几族元素，电负性的差别逐渐减小，当它们相互作用时，一般形成极性不等的极性键。非极性键只有在同种元素的原子间才可能形成。因此用元素的电负性值，可大致判断化学键的类型，以及共价键极性的大小。

上述化学键可以H一H、CI—CI、H—Cl、Na⁺CI⁻为例，概括如下:

共价键和离子键是化学键的两种基本类型。根据键极性的概念，共价键和离子键没有严格的界限，离子键可以看作是最强的极性键。极性共价键是由非极性键到离子键的过渡形式，非极性键和离子键则是两种极端情况。从电子得失的观点来看，离子键和共价键有着显著的不同，离子键有电子的得失(或转移)，而共价键中的共用电子对为两个原子所共有，只是偏移的程度有所不同而已。

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