-
第
3
章化学键
Bond
ing
3.1
离子键的性质
The nature of ionic
bonding
学习目标
Learning
objectives:
离子如何形成，并且相互吸引？
离子键合化合物具有哪些性质？
离子键合化合物具有哪些结构？
大纲参考：
3.1.3
化学键是如何形成的？
Why do chemical
bonds form?
原子之间的化学键通常会涉及到原子的外层电子。
?
由于稀有气体的外层电子具有全满
电子层结构（见图
1
），因此稀有气体性质非常稳
定。
?
当原子相互结合时，他们会共享或者转移电子，实现更加稳定的电子排列，通常是其
外层电子变成全满电子层结构，就像稀有气体一样。
?
有三种类型的化学键：离子键、共价键和金属键。
图
1
稀有气体
Helium
氦
Neon
氖
Argon
氩
离子键
Ionic bonding
金属元素的外层主能级具有
1
个、
2
个或
3
个电子，因此金属元素要实现稀有气体的外层全满
电子层结构，
最简单的方式就是失去外层的电子。而非金属元素的外层主能级具有空隙，因此
非金属元
素要实现稀有气体外层的全满电子层结构，最简单的方式就是获取电子。
?
离子键是在金属元素和非金属元素之间形成的化学键。
?
在离子键中，电子从金属元素转移到非金属元素。
?
形成阳离子和阴离子。
氯化钠具有离
子键结构，如图
2
所示。
钠原子氯原子
11
个质子
17
个质子
11
个电子
17
个电子
图
2
点叉结构图显示了一个电子从一
个钠原子转移到一个氯原子中。注意一点，无论通过点或
叉表示电子，所有电子都是完全
相同的。
钠
11
Na
原子中具有
11
个电子（和<
/p>
11
个质子）。钠的电子排列结构为
2<
/p>
、
8
、
1
。
氯
17
Na
原子中具有
17
个
电子（和
17
个质子）。氯的电子排列结构为
< br>2
、
8
、
7
。
在氯化钠的离子键中，一个电
子得到转移。钠原子外层中的一个电子转移到氯原子外层的主能
级中。
< br>
如今，每个外层主能级都是满电子结构。
钠和氯现在都具有稀有气体电子排列结构。钠具有氖气的电子排列结构，而氯具有氩气的电子
排列结构（将图
3
中的离子与图
1
中的稀有气体原子进行对比）。
科学探索
How Science Works
电子的外层满电子层
20
世纪
10
年代，
美国化学
家吉尔伯特
·
路易斯（
Gilbert
Lewis
）认识到
电子的外层满电子壳层
的稳定性意义，
从而提出了
共价键理论，即
两个
(
或多个
)
原子可以相互
“
共有
”
一对或多对电子，
以便达成稀有气体原子的电子层结构，而形成共价
键。
图
3
电子转移形成离子的过程
Na
+
sodium ion
钠离子
11protons,10electrons (2,8) 11
个质子，
10
个电子
Cl
-
chlorine ion
(called chloride)
氯离子
17protons, 18electrons (2,8,8) 17
个质子，
18
个电子
由于一个电子发生转移，形成两个称为离子的带电荷的粒子。
?
钠离子带正电，因为钠失去一个电子；
?
氯离子带负电，因为氯得到一个电子；
?
钠离子和氯离子相互吸引，氯化钠
化合物中这种带相反电荷离子之间的作用力称为静
电力。
因此，离子键是带相反电荷离子之间的静电吸引结果。这种吸引力会扩展到化合物。阳离子会
吸引阴离子，反之亦然。所有带相同电荷之间的离子之间也存在排斥力。因此，离子化合
物还
存在一种称为晶格的结构中，这种结构中的吸引力和排斥力之间相互平衡。图
4
展示了氯化钠
的三维晶格结构，含有一个带
电离子。
氯化钠的分子式为
NaCl
，因为我们知道每个钠离子都对应一个氯离子。
图
4
氯化
钠的晶格结构。这是一个
巨型离子结构
的实例。
这种强烈的键合结构贯穿化合物
，正
因为此，这种晶格
结构难以熔化。
Chloride ion
氯离子
Sodium ion
钠离子
举例：氧化镁
镁原子具有
12
个电子，其电子排列结构为
2,8,2
。
氧原子具有
8<
/p>
个电子，其电子排列结构为
2,6
。
这次，两个电子从镁原子中转移。每个氧原子接受两个电子。
Magnesium atom
12 protons,
12 electrons
镁原子
12
个质子，
12
个电子
Oxygenatom
8
protons, 8electrons
氧原子
8
个质子，
8
个电
子
2+
Mg
magnesium ion
O
2-
Oxygen ion
12 protons, 10 electrons (2,8)
8 protons, 10 electrons (2,8)
2+
Mg
镁离子
Mg
2+
镁离子
12
个质子，
10
个电子
（
2,8
）
12
个质子，
10
个电子（
2,8
）
学习建议
Study tip
这种
点叉结构图有助于学生理解化学键的原理，并预测分子的形状。
提示
Hint
电流是电荷的流动。
在金属中，负电子会移动。在离子化合物中，带电离子会移动。
?
镁离子
M
g
2+
带正电荷，因为其失去两个负电子。
?
氧离子
O
2-
带负电荷，因为其得到两个负电子。
?
氧化镁的分子式为
MgO
。
离子键合化合物的性质
Properties of
ionically bonded compounds
离子化合物在室温条件下
通常是固体。
它们有巨大的结构
，因此具有较高的熔点温度。原
因在
于为了熔化一种离子化合物，必须提供能量，拆分离子的晶格。
离子化合物在熔化状态或者溶解在水（液体）中而非固体状态时可导电。原因在于
，带电的离
子能在液体状态移动，不过却无法在固体状态移动，如图
5
所示。
图
5
离子性液体可导电，但是离子性固体无法导电
Cathode
阴极
anode
阳极
Solid
固体
liquid
液体
The ions
are not free to move in the solid state
固体状态的离子无法自由移动
The
ions are free to move in the liquid state and the
compound conducts electricity
离子在固体状态可
自由移
动，化合物可导电
离子化合物
易碎
，在外力打
击下很容易碎掉。原因在
于，离子化合物形成阳离子和阴离子交替的晶格结构，
如图
6
所示。如图示方向所示的一击可能会使离
子发
生移动，并在带同种电荷的离子之间形成连接。
a small displacement causes contact
between ions with
the same charge
…and the structure shatters
这种
Shatters
图
6
离子化合物的脆弱性
小结问题
Summary questions
1
、
如下哪几个选项是离子化合物，原因在哪？
A CO B KF C CaO D HF
2
、
为何离子化合物具有较高的熔点温度？
3
、
在哪种条件下，离子化合物可导电？
4
、
请画出“点叉”图展示如下的化合物：
A
当镁和氟气发生反应时，正形成离子；
B
当钠和氟气发生反应时，正形成离子。
5
、
请写出
问题
4
中形成的化合物的分子式。
6
、
您认为
Mg
2+
和
O
2-
离子的电子排列结构分别对应哪种稀有气体？
3.2
共价键
Covalent bonding
学习目标
Learning objectives:
什么是共价键？
什么是配位化学键？
共价键分子有哪些性质？
大纲参考：
3.1.3
非金属原子需要接收电子，填充原子外壳电子层内的空间。
一对非金属原子之间形成一个共价键
原子会分享某些外层电子，每个原子都有一个稳定的稀有气体原子结构排列。
一个共价键是一对共享电子对。
共价键如何形成分子
Forming molecules
by covalent bonding
一组通过共价键键合的原子称为分子。
例如，氯气是气体，由分子构成，如图
1
所示。
图
1
< br>氯气分子的形成方式
Chlorine atoms
氯原子
A chlorine
molecule
氯气分子
氯原子
内有
17
个电子，其电子排列方式为
2
、
8
和
7
。两个氯原子之间通过共价键键合形成一
个氯气分子。
两个原子共享一对电子；
现在，每个原子的电子排列结构与稀有气体相同；
氯气的分子式为
Cl
2
；
分子是中性的，因为没有电子从一个原子转移到另外一个原子。
我们可通过在原子之间添加一条横线代表一对共价键之间的一对共享电子。
例题：甲烷
甲烷气体是
碳和氢之间通过一个共价键形成的化合物。碳原子内有
6
个电子
，排列方式为
2
、
4
< br>；而氢原子内仅有一个电子。
carbon
碳
hydrogen
氢
为了使碳形成稀有气体的电子排列
结构，每个碳原子需要和四个氢原子进行电子配对。
Methane
甲烷
甲烷的分子式为
CH
4
。<
/p>
提示
Hint
注意，氢的外层主能级中仅有两个电子。（这两个电子填充了第一电子层，从而使氢气形成了
稀有气体氦气的电子结构。）
共享电子对如何使原子结合在一起？
How does
sharing electrons hold atoms together?
通过共价键键合在一起的原子依靠原子核和共享电子对之间的静电引力结合在一起。分子内部
之间具有这种静电引力。氢气是通过共享电子对结合在一起的最简单的例子。氢气分子由两个
质子构成，这两个质子通过一对电子结合在一起。氢气之间的静电引力如图
2<
/p>
所示。这种引力
通过黑色表示，而排斥力则通过红色表示。当原子
核与电子之间存在一个距离时，这种静电引
力与排斥力之间正好处于一个平衡状态。
Electron
电子
proton
质子
图
2
一个氢气分子内部的静电引力
图
3
一个氧气分子具有一个双键
Oxygen
氧气
双共价键
Double covalent bonds <
/p>
一个双键内具有四个电子形成共享电子对。一个氧气分子中的两个原子共享两对电子，因此
氧
原子之间有一个双键，如图
3
所示。
我们可以在两个原子之间画一条双横线表示共价键之间的
两对共享电子，
O=O
。
我们在画这个共价
键图示时，我们会忽略内层主能级，因为内层电子不会参与电子配对。共价
键分子的其他
实例如表
1
所示。
< br>表
1
中的所有例子都是中性分子。分子内部的原子通过分
子之间的共价键强烈键合在一起。然
而，分子之间并没有形成强烈的吸引力。
表
1
共价键分子的例子
。这个表格仅仅显示了外电子层。
分子式
名称
氢气
每个氢原子具有一个满外
层主能级，外层中只有两
个电子
分子式
名称
氨气
氯化氢
乙烯
乙烯分子中具有
一个碳
-
碳双键
水
二氧化碳
这个分子中具有
两个碳
-
氧双
键。
分子结构物质的性质
Properties of
substances with molecular structures
?
由分子构成的物质可以是气体、液
体或者低熔点温度的固体物质。原因在于这种强共
价键仅仅存在于分子内部的原子之间。
分子之间只有比较弱的吸引力，因此不需要太
大的能量就可以使分子分开。
?
由分子构成的物质导
电性能比较弱，因为分子总体上呈中性。这意味着分子物质内部
没有能输送电流的带电离
子。
?
如
果将分子构成的物质溶解于水，并作为分子存在，这种溶液无法导电。原因还是由
于分子
构成的物质内部没有带电粒子。
提示
Hint
某些共价键化合物与
水发生反应形成离子。这种情况下形成的溶液可导电。
Co-
ordinate bonding
配位键
两个原子之间通过共享一对电子形成一个共价键。在大多数共价键中，每个原子提供一个电子。
不过在某些化学键中，一个原子会提供两个电子。这称为配位化学键，还称为配位共价键。
在一个配位化学键或配位共价键内部：
<
/p>
接受电子对的原子其外层主能级未填充电子。我们将这种原子称为缺电子体。
提供电子的原子有一对电子，这对电子不出现在化学键中，称为孤对电子。
实例：铵根离子
< br>例如，氨气分子具有一对孤对电子。在氨离子
NH
4
+
中，氮原子具有一对孤对电子，与一个氢
离子
H
+
形成一个配位键（
H
+
是根本不含电子的“裸”质子，因此是缺电子
体）。
Lone pair
孤对电子
Written
写作
ammonium ion
铵根离子
配位共价键可通过一个箭头符号→表示。箭头指向的原子是接受电子配对的原子。不过，
这种
表达方式只能显示如何形成这种化学键。铵根离子完全对称，所有化学键具有完全相
同的强度
和长度。
与普通的共价键一
样，
配位共价键的相同对的原子之间具有相同的强度和长度
。<
/p>
铵根离子具有配位共价原子，不过是一个带电阳离子。
小结问题
Summary questions
1
、
什么是共价键？
2
、
下列哪些选项具有共价键，原因何在？
A Na
2
OB
CF
4
C
MgCl
2
D
C
2
H
4
3
、
为何共价键分子可以是气体、液体或低熔点温度的固体？
4
、
请画出氢元素与硫元素形成的化合物硫化氢的点叉成键示意图。
5
、
请画出水分子与一个氢离子形成配位键的点叉成键示意图。
3.3
电负性
-
共价键的键极性
Electronegativity-bond
polarity in covalent bonds
学习目标
Learning objectives:
电负性这个术语的意思是？
什么原因使一个原子的电负性强于其他原子？
在一个共价键中的原子上标注符号
δ
+
和
δ
-
，意义何在？
大纲参考：
3.1.3
学习建议
Study tip
学习电负性的定义。
将原子结合在一
起的力量全部来自正电荷与负电荷之间的吸引力。在离子键中，电子从一个原
子完全转移
到另一个原子。不过，即使在配位键中，如果一个原子要比其他原子更容易吸引电
子，那
么由原子共享的电子分布并不均衡。我们认为这种原子的电负性要比其他原子更强。
电负性
Electronegativity
电负性指的是一个原子将共价键中的电子强度吸引到朝向自我的能力。例如，与氢气相比，氟
气更擅长吸引电子。我们认为氟气的电负性要比氢气强。
当我们将电子视为电荷云时，电子密度这个术语通常用于描述分子内负电荷的分布方式。< p>
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