共价键

引入

为什么氢气分子 $\mathrm{H}{}_2$ 比两个氢原子更稳定？为什么氮气分子 $\mathrm{N}{}_2$ 极难断裂？

原子通过共用电子对形成共价键，使体系能量降低、结构稳定。理解共价键的形成和类型，是理解分子结构的基础。

共价键的形成

定义

共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键。

形成条件

1. 成键原子的原子轨道发生重叠。
2. 自旋方向相反的未成对电子配对。
3. 体系能量降低。

共价键的本质

共价键的本质是原子轨道重叠，电子在两个原子核间出现的概率增大，使体系能量降低。

共价键的类型

按轨道重叠方式分类

类型	重叠方式	特点	例子
$\sigma$ 键	原子轨道沿键轴方向”头碰头”重叠	重叠程度大，键能大，稳定性强	$\mathrm{H}-\mathrm{H}$、$\mathrm{C}-\mathrm{C}$、$\mathrm{C}-\mathrm{H}$
$\pi$ 键	原子轨道沿键轴方向”肩并肩”重叠	重叠程度小，键能小，稳定性弱	$\mathrm{C}=\mathrm{C}$ 中的一个键、$\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ 中的两个键

单键是 $\sigma$ 键，双键是 1 个 $\sigma$ 键 + 1 个 $\pi$ 键，三键是 1 个 $\sigma$ 键 + 2 个 $\pi$ 键。

按电子对是否偏移分类

类型	特点	例子
非极性共价键	共用电子对不偏移，成键原子电负性相同	$\mathrm{H}{}_2$、$\mathrm{Cl}{}_2$、$\mathrm{N}{}_2$
极性共价键	共用电子对偏向电负性大的原子	$\mathrm{HCl}$、$\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$、$\mathrm{NH}{}_3$

按电子对来源分类

类型	特点	表示	例子
一般共价键	成键电子对由两原子各提供一个电子	$\mathrm{A}-\mathrm{B}$	$\mathrm{H}-\mathrm{Cl}$
配位键	成键电子对由一个原子单独提供	$\mathrm{A}\to \mathrm{B}$	$\mathrm{NH}{}_4{}^{+}$ 中 $\mathrm{N}\to \mathrm{H}$

配位键形成后，性质与普通共价键相同。

共价键的参数

键能

定义

键能是指在 $298\mathrm{K}$ 时，断裂 $1\mathrm{mol}$ 气态分子中某种化学键生成气态原子所吸收的能量。

键能越大，键越稳定，越难断裂。

化学键	键能 / $\mathrm{kJ}\cdot \mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$
$\mathrm{H}-\mathrm{H}$	436
$\mathrm{Cl}-\mathrm{Cl}$	243
$\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$	946
$\mathrm{C}-\mathrm{C}$	348
$\mathrm{C}=\mathrm{C}$	610

键长

定义

键长是指形成共价键的两个原子核间的距离。

键长越短，键越稳定。

化学键	键长 / $\mathrm{pm}$
$\mathrm{C}-\mathrm{C}$	154
$\mathrm{C}=\mathrm{C}$	134
$\mathrm{C}\equiv \mathrm{C}$	120

键角

键角是分子中两个共价键之间的夹角，决定分子的空间构型。

共价键的饱和性与方向性

饱和性

每个原子能形成共价键的数目是有限的，取决于原子的未成对电子数。

例如：氢原子只有 1 个未成对电子，只能形成 1 个共价键。

方向性

共价键在原子轨道重叠最大的方向形成，因此共价键具有方向性。

方向性决定了分子的空间构型。

引出

共价键决定了分子中原子的连接方式，但分子的立体形状是什么样的？

• 为什么甲烷是正四面体而水分子是 V 形？
• 如何预测分子的空间构型？

这些问题将在分子的空间结构中展开。