IB 化学/键合
简单来说，化学键将原子连接在一起形成更复杂的结构（如分子或晶体）。键合可以在相同元素的原子之间发生，也可以在不同元素的原子之间发生。有几种类型的化学键具有不同的性质并导致不同的结构。
离子键发生在正离子和负离子（带电原子）之间。这种类型的键合很少发生在只有两个原子之间，但通常会导致形成离子固体，其中离子排列成刚性晶格。NaCl（普通盐）是离子物质的例子。
共价键发生在原子相互共享电子时。这导致两种类型的结构：分子和共价网络固体。甲烷 (CH4) 是一种共价分子，玻璃是一种共价网络固体。在分子中，我们可以区分原子对之间的单个共价键。
两个原子之间的相互作用是共价的还是离子的，可以根据原子的电负性来预测。
| 键类型 | 原子电负性之差 | 例子 |
|---|---|---|
| 非极性共价键 | 0.0-0.4 | F2, CH4 |
| 弱极性键 | 0.5-0.9 | Cl2O, NH3 |
| 中等极性键 | 1-1.3 | CO2, SiCl4 |
| 强极性键 | 1.4-1.7 | H2O, Al2Cl6 |
| 弱离子键 | 1.8-2.2 | NaCl, Al2O3 |
| 离子键 | 2.3+ | Na2O, CsF |
金属键发生在金属原子之间。在金属键合的物质中，原子的外层电子可以自由移动——它们是离域的。原则上，所有电子都可以表现为离域波，但在具有共价键或离子键的物质中，可获得的能级数量等于电子数量，这使得这种波的特性不那么明显。在金属中，可获得的能级比电子多得多，这使得电子可以自由移动并导电。铝、锡、铅、银都是金属键合的元素，但也有具有金属键合的化合物，如合金和金属间化合物。
化学键是化学研究中最关键的概念之一。事实上，材料的性质基本上是由它们包含的原子类型和数量以及它们如何键合在一起决定的。
4.1.1 : 离子键 - +ve（阳离子）和 -ve（阴离子）离子相互吸引并形成连续的离子晶格。
离子是带电的原子或分子。阳离子带正电荷，阴离子带负电荷。当原子获得或失去电子时，就会形成离子。由于电子带负电荷，失去电子的原子会带正电荷（类似地，获得一个或多个电子的原子会带负电荷）。
离子键发生在带正电荷和负电荷的离子之间。这些带相反电荷的离子相互吸引并保持靠近——它们形成离子键。静电定律解释了为什么会发生这种情况：异性相吸，同性相斥。当许多离子相互吸引时，它们会形成大型的有序晶格，其中每个离子都被带相反电荷的离子包围。当金属与非金属形成离子键时，电子从金属元素转移到非金属。当形成离子时，称为电离
这里应该有一个离子固体的图表
当金属和非金属发生化学反应时，就会产生离子。由于其较低的电离能，金属原子如果失去电子形成完整的价电子层并带正电荷，则其不稳定性很小。同样，非金属通过获得电子来完成其价电子层并带负电荷而得到极大的稳定。当金属和非金属接触时，金属通过将电子转移到非金属而失去电子，非金属则获得电子。因此，形成离子，它们会立即相互吸引。离子键是由阳离子和阴离子之间的静电吸引力引起的，这是由于库仑力。吸引过程通常不会停止在两个离子处，而是继续涉及许多离子，这些离子堆叠成固体晶格结构，在该结构中，无法区分单个“键”或单个分子。
4.1.2 : 1 族金属形成 +1 离子，2 族金属形成 +2 离子，3 族金属形成 +3 离子。例子 : Li+, Mg2+, Al3+...Li->Cs 的电离更容易，这是由于由额外的内层电子引起的核吸引力的电子屏蔽作用增强。原子越容易电离，它们就越活泼，因为电离它们所需的能量越少，因此它们更容易反应。
4.1.3 : 6 族离子将形成 2- 离子，7 族离子将形成 1- 离子。例子 : O2-, Cl-...
4.1.4 : 过渡金属（从 Ti 到 Cu 的元素，忽略 Sc 和 Zn）可以形成多种离子（即 Fe2+, Fe3+）（由于 4s 和 3d 壳的接近性）
4.1.5 : 二元化合物中键合的离子或共价性质是其电负性差异的结果...NaCl(s) 是离子性的，HCl(g) 是（极性）共价的（此外，共价分子往往是气体/液体，离子性往往是固体……除了网络共价，它将是固体）。一般来说，如果电负性差异大于 1.7，则键将超过 50% 离子性。
4.1.6 : 取 1、2 或 3 族金属的名称并添加……氟化物、氯化物、溴化物、碘化物等、氧化物、硫化物、氮化物或磷化物…
共价键的一个有用模型称为价键模型。它指出，共价键是在原子为了完成其价（外层）电子层而相互共享电子时形成的。它们主要在非金属之间形成（例如，氯、硫、碳等）。
共价键合物质的例子是氢气 (H2)。一个单独的氢原子有一个电子——它有空间容纳两个电子以完成其价电子层。当两个氢原子键合时，每个原子与其另一个原子共享其电子，即电子被两个原子核而不是一个原子核吸引，从而释放能量。现在，两个原子都可以利用两个电子：它们成为一个稳定的 H2 分子，由一个单共价键连接。
共价键也可以在其他非金属之间形成，例如氯。氯原子在其价层中有 7 个电子 - 它需要 8 个电子来完成其价层。两个氯原子可以分别共享 1 个电子来形成一个单共价键。它们成为 Cl2 分子。
氧也可以形成共价键；然而，它需要另外 2 个电子来完成其价层（它有 6 个电子）。两个氧原子必须分别共享 2 个电子来完成彼此的价层，总共共享 4 个电子。因为共享的电子数量是两倍，所以这被称为 **双共价键**。
此外，氮有 5 个价电子（它需要另外 3 个）。两个氮原子可以分别共享 3 个电子（总共 6 个）来形成一个由 **三共价键** 连接的 N2 分子。
与趋势相反，碳不会共享 4 个电子来形成四重键。这是因为碳的第四对电子无法物理上足够靠近以被共享。价键模型通过考虑所涉及的 **轨道** 来解释这一点。此外，通过与 4 个其他碳原子形成 4 个单键来形成 **金刚石** 结构，可以释放更多能量。
回想一下，电子在原子中以电子云（轨道）的形式存在。价键模型基于以下原理：不同原子上的轨道必须 **重叠** 才能形成键。轨道重叠有几种不同的方式，形成几种不同的共价键类型。
第一种也是最简单的重叠方式是两个 s 轨道结合在一起。它被称为 **σ 键**（sigma 或 'σ' 是 's' 的希腊语等价物）。σ 键也可以在两个指向彼此的 p 轨道之间形成。
σ 键图片 - 请按 1 号O sigma bond.jpg
第二种同样重要的重叠方式是两个平行的 p 轨道之间。它们不是头对头重叠（如 σ 键），而是并排连接，在分子之上和之下形成两个电子密度区域（离域化）。这种类型的重叠被称为 **π 键**（'π'，来自 p 的希腊语等价物）。
4.2.1 : 共价键是两个原子各捐赠 1 个电子形成一对电子，这对电子位于两个原子之间...这种键通常由电负性差异很小的原子形成...例如有机化学中的 C、H 和 O。
4.2.2 : 所有电子必须成对...路易斯结构是用元素符号表示，并带有剩余的价电子，并且剩余的电子配对...通常 C 形成 4 个键，N 形成 3 个键，O 形成 2 个键，卤素形成 1 个键，H 形成 1 个键...(Li 会形成 1 个键，Be 形成 2 个键，B 形成 3 个键，但它们通常不会...金属或离子键)
4.2.3 : 电负性值范围从 0.7 到 4...分别从左下到右上（氢位于 B 和 C 之间，电负性为 2.1...）。
4.2.4 : 当共价分子具有电负性差异（在两个成键原子之间）时，电子对将更靠近电负性更大的原子...导致电负性更大的原子带少量负电荷，而另一个原子带少量正电荷...导致极性键。
4.2.5 : 具有 4 个电子对的分子形状取决于孤对的数量。
3 个孤对 -> 线性，2 个孤对 -> 角形，1 个孤对 -> 三角锥形，无孤对 -> 四面体。
4.2.6 : 分子的极性取决于键的形状和极性...1) 如果没有极性键，则该分子不是极性的。2) 如果有极性键，但形状是对称的，则该分子不是极性的（可以把它想象成 3D 矢量加法...如果它们加起来为零，则该分子不是极性的）。3) 如果有极性键，并且该分子不是对称的，则该分子是极性的。
4.3.1 : 范德华力 - 电子不会始终均匀地分布在原子/分子周围，这意味着分子在一端将带轻微正电荷，而在另一端带负电荷。这种临时状态可能会导致两个分子之间的吸引力，将它们拉在一起（也称为伦敦色散力）。极性分子在适当的方向上会因偶极-偶极力而相互吸引。偶极-偶极力比范德华力更强。氢键是氢与氮、氧或氟键合时形成的非常强的偶极，使氢带很强的正电荷。然后，这种氢被吸引到其他类似分子上的孤对电子 - 氮、氧和氟都有孤对电子 - 形成氢键，它比范德华力或偶极-偶极力更强，但比共价键更弱。
4.3.2 : 结构特征 - 非极性分子只有范德华力。这也存在于所有其他分子中，但其强度与其他力相比通常微不足道。极性分子具有偶极-偶极力，它源于极性键和分子中的不对称性。氢键来自强烈的δ+氢。这导致具有氢键的分子表现出更强的分子间力，即更高的沸点/熔点等。例如，H2O 由于氢键而比 H2S 具有更高的沸点。中性分子不导电，但一些极性分子交换质子形成离子，例如 2H2O 生成 H3O+ 和 OH-。
4.4.1 : 金属原子失去它们的外层电子，这些电子然后离域化，并可以在整个金属中自由移动。这些负离域电子强烈地将金属阳离子结合在一起。由于这些电子可以流动，因此具有金属键的原子表现出高电导率。参与键合的价电子数量和原子核电荷强度决定了键合强度。与离子键不同，扭曲原子不会引起排斥，因此金属物质是延展的（可以拉成细丝）和可锻的（可以制成薄片）。自由移动的电子还允许高热导率，电子可以携带热能，而不是通过原子振动缓慢传递。
金属键发生在金属原子之间。一个价电子海围绕着正金属离子。电子可以在由此产生的晶体中自由移动。电子的离域性质解释了金属的一些独特特性：它们是良好的电导体，它们是延展的，这意味着它们可以制成细丝，并且它们是可锻的，这意味着它们可以很容易地锤成薄片。
熔点和沸点：离子键、金属键和网络共价键很高。共价分子键很低。
挥发性：共价分子物质是挥发性的，其他物质则不是。
导电性：金属物质可以导电。极性分子物质可以导电，非极性分子物质则不能。离子物质在熔融状态或溶解在水中时可以导电，但在固态时不能导电。
溶解度：离子物质 -> 通常溶解在极性溶剂（如水）中。金属物质 -> 溶解在液态金属中。非极性分子通常溶解在非极性溶剂中，极性分子溶解在极性溶剂中。具有极性头的有机分子 -> 短链分子可溶于极性溶剂，但长链最终会超过极性“头部”，并溶解在非极性溶剂中。
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离子键物质通常具有以下特征。
- 高熔点（室温下为固体）
- 硬
- 脆（易碎）
- 有些溶于水
- 溶解或熔化时导电
- 通常比共价键更强。
主题 14 是主题 4 的附加 HL 材料。