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共价键

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根据量子力学理论,共价键是由电子云重叠形成。如图所示,两个氢原子的1s电子云部分重叠,就形成了H-H共价键。
根据量子力学理论,共价键是由电子云重叠形成。如图所示,两个氢原子的1s电子云部分重叠,就形成了H-H共价键。

共价键(英语:covalent bond),是化学键的一种。两个或多个非金属原子共同使用它们的外层电子砷化镓为例外),在理想情况下达到电子饱和的状态,由此组成比较稳定和坚固的化学结构。与离子键不同的是,进入共价键的原子向外不显示电荷,因为它们并没有获得或损失电子。共价键的强度比氢键要强,比离子键小。同一种元素的原子或不同元素的原子都可以通过共​​价键结合,一般共价键结合的产物是分子,在少数情况下也可以形成晶体。又称为共产链。

吉尔伯特·路易斯于1916年最早提出“共价键”这一概念。他认为——在简单原子轨道模型中,要形成共价键的原子必须互相提供电子(一个或多个)从而组成电子对,电子对则扮演了共价键的角色,而形成共价键后的原子共同拥有那对电子对。

量子力学中,最早的共价键形成的解释是由电子的复合而构成完整的轨道来解释的。第一个量子力学的共价键模型是1927年提出的,当时人们还只能计算最简单的共价键:氢气分子的共价键。今天的计算表明,当原子相互之间的距离非常近时,它们的电子轨道会相互作用而形成整个分子共用的电子轨道。

吸引和排斥

在共价键中,被共用的电子被所有进入共价键的原子吸引,由此使得这些原子结合在一起。虽然其原子核之间和电子之间会因电荷相同而互相排斥,但这些排斥作用被位于原子核间的电子减弱,而电子与原子核之间的相互作用更加强。

共价键中的吸引力和排斥力

共用的电子受原子核的吸引(4绿线)

电子之间和原子核之间互相排斥(2红线)

电子饱和

按照简单的电子壳模型一个原子的外层电子在达到饱和状态下最稳定。对大多数原子来说,外层电子数为8时它们达到饱和,即“八隅体”。这时它们的外层电子数与同周期的惰性气体元素的外层电子数相同。

氯化氢为例,在氯化氢分子中原子并没有将它的外层电子交给原子。而是两个原子共用一对外层电子而达到饱和状态。

键参数

键参数,是可以用于描述共价键性质的物理量的统称,参数详情可见于下列条目:

例子

氧分子

原子的外层电子数为6,这六个电子中的四个组成两对,其它两个单独存在。

氧原子的模型

每个氧原子有六个外层电子

这两个单独的电子与另一个原子中相应的单独的电子结合组成两个新的共用的电子对,由此达到电子饱和的状态。

氧分子

氧分子的模型

注意:此处的氧分子模型是一个简化模型,实际上的氧分子要比这里描述的要复杂得多,因为这6个外层电子分布在不同的轨道上,所以它们不能形成这样简单的电子对。在实际之中,氧分子有3对共用的电子对和2个单独的电子。

共价键的分类

共价键是电子云的重叠,所以共价键最本质的分类方式就是它们的重叠方式。现在已知有3种重叠方式,分别称作:

有机化合物中,通常把共价键以其共用的电子对数分为单键双键以及叁键。单键是一根σ键;双键和叁键都含一根σ键,其余1根或2根是π键。

无机化合物不用此法。原因是,无机化合物中经常出现的共轭体系(离域π键)使得某两个原子之间共用的电子对数很难确定,因此无机物中常取平均键级,作为键能的粗略标准。

共价键还可以分为极性共价键和非极性共价键

极性共价键

假如组成共价键的原子的电负性不同,那么它们共用的电子对可能被其中的一个原子核吸引,由此而来它们在分子中的分布也不相等,电子被吸引比较集中的地方显负性,电子比较稀疏的地方显正性。这样整个分子就会显示出一定的极性。一个分子的电极的分布除其原子的电负性外还与其分子的组成有关。

网状共价键

网状共价键,英文为Network covalent bonding,是原子晶体的主要化学键,是晶体结构的主要连接键。

网状共价键是共价键中的一种,它所形成的物质不是一个个的分子,而是一个大的原子晶体。网状共价键的连接之力很强,若想使键断开则需要有很大的能量,所以以网状共价键作为化学键的物质的熔点和沸点都较高、硬度也很大,最典型的例子之一就是金刚石

配位键

配位键(又称配位共价键)是一种特殊的共价键,它的特点在于共用的一对电子出自同一原子。形成配位键的条件是,一个原子有孤电子对,而另一个原子有空轨道。配位化合物,尤其是过渡金属配合物,种类繁多,用途广泛,现已形成配位化学

参考文献

外部链接

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