共價鍵

共價鍵(covalent bond)是化學鍵的一種,兩個或多個非金屬原子共同使用它們的外層電子(砷化鎵為例外),在理想情況下達到電子飽和的狀態,由此組成比較穩定和堅固的化學結構叫做共價鍵。與離子鍵不同的是進入共價鍵的原子向外不顯示電荷,因為它們並沒有獲得或損失電子。共價鍵的強度比氫鍵要強,與離子鍵差不太多或有些時候甚至比離子鍵強。

同一種的元素的原子或不同元素的都可以通過共​​價鍵結合,一般共價鍵結合的產物是分子,在少數情況下也可以形成晶體

吉爾伯特·路易士於1916年最先提出共價鍵。

在簡單的原子軌域模型中進入共價鍵的原子互相提供單一的電子形成電子對,這些電子對圍繞進入共價鍵的原子而屬它們共有。

量子力學中,最早的共價鍵形成的解釋是由電子的複合而構成完整的軌域來解釋的。第一個量子力學的共價鍵模型是1927年提出的,當時人們還只能計算最簡單的共價鍵:氫氣分子的共價鍵。今天的計算表明,當原子相互之間的距離非常近時,它們的電子軌域會互相之間相互作用而形成整個分子共用的電子軌域。

吸引和排斥

在共價鍵中,被共用的電子被所有進入共價鍵的原子吸引,由此使得這些原子結合在一起。雖然其原子核之間和電子之間會因電荷相同而互相排斥,但這些排斥作用被位於原子核間的電子減弱,而電子與原子核之間的相互作用更加強。

共價鍵中的吸引力和排斥力 
共用的電子受原子核的吸引(4綠線)

電子之間和原子核之間互相排斥(2紅線)

電子飽和

按照簡單的電子殼模型一個原子的外層電子在達到飽和狀態下最穩定。對大多數原子來說,外層電子數為8時它們達到飽和,即「八隅體」。這時它們的外層電子數與同周期的惰性氣體元素的外層電子數相同。

氯化氫為例,在氯化氫分子中原子並沒有將它的外層電子交給原子。而是兩個原子共用一對外層電子而達到飽和狀態。

鍵參數

共價鍵的性質可以通過稱為鍵參數的某些物理量來描述,見下列條目:

例子

氧氣分子

原子的外層電子數為6,這六個電子中的四個組成兩對,其它兩個單獨存在。

氧原子的模型 

每個氧原子有六個外層電子

這兩個單獨的電子與另一個原子中相應的單獨的電子結合組成兩個新的共用的電子對,由此達到電子飽和的狀態。

氧分子 

氧分子O2的模型

需要說明的是這裡所描述的氧分子的模型是一個簡化了的模型,實際上的氧分子要比這裡描述的要複雜得多,因為這6個外層電子分布在不同的軌域上,因此它們不能形成這樣簡單的電子對。實際上的氧分子有三對共用的電子對和兩個單獨的電子。

共價鍵的分類

共價鍵是電子雲的重疊,所以共價鍵最本質的分類方式就是它們的重疊方式。現在已知有3種重疊方式,分別稱作:

  • σ鍵
  • π鍵
  • δ鍵

有機化合物中,通常把共價鍵以其共用的電子對數分為單鍵雙鍵以及三鍵。單鍵是一根σ鍵;雙鍵和三鍵都含一根σ鍵,其餘1根或2根是π鍵。

但無機化合物不用此法。原因是,無機化合物中經常出現的共軛體系(離域π鍵)使得某兩個原子之間共用的電子對數很難確定,因此無機物中常取平均鍵級,作為鍵能的粗略標準。

極性共價鍵

假如組成共價鍵的原子的電負度不同,那麼它們共用的電子對可能被其中的一個原子核吸引,由此而來它們在分子中的分布也不相等,電子被吸引比較集中的地方顯負性,電子比較少集中的地方顯正性。這樣整個分子就會顯示出一定的極性。一個分子的電極的分布除其原子的電負度外還與其分子的組成有關。

網狀共價鍵

網狀共價鍵,英文稱Network covalent bonding,是原子晶體的主要化學鍵,是晶體結構的主要連接鍵。

網狀共價鍵是共價鍵中的一種,它所形成的物質不是一個個的分子,而是一個大的原子晶體。網狀共價鍵的連接之力很強,若想使鍵斷開則需要有很大的能量,所以以網狀共價鍵作為化學鍵的物質的熔點和沸點都較高、硬度也很大,最典型的例子之一就是金剛石。

配位鍵

配位鍵是一種特殊的共價鍵,它的特點在於共用的一對電子出自同一原子。形成配位鍵的條件是,一個原子有孤電子對,而另一個原子有空軌域。配位化合物,尤其是過渡金屬錯合物,種類繁多,用途廣泛,現已形成配位化學。

參考文獻

外部連結