无机化学/化学键/简介

一个简单的表示，显示了键合的氢氯化物 (HCL) 分子的结构

在化学的世界里，目前已知有 118 种元素。所有这些元素在特定条件下相互结合，形成称为分子或简称为化合物的复合粒子。通过将两个或多个相同或不同元素的原子结合形成分子，来形成这些化合物的过程被称为化学键。这种现象的结果被称为化学键。在整个无机化学中，术语键可以被认为与力同义。因此，化学键被定义为可以将两个或多个原子物种结合在一起的强吸引力。这里的原子物种，或多或少，可以指原子本身。一个单键连接两个原子，尽管两个原子之间可能存在多重键。化学键被定义为可以将两个或多个原子结合在一起的吸引力。一个单键连接两个原子。更全面地说，化学键也可以被定义为一种吸引力，它将两个或多个不同类型的原子结合在一起，以一种方式，一个化学键产生一个双原子单元，该单元本身就是新的分子或形成的新物种的一部分，称为分子或化合物。例如，在一个水分子中，氧原子与两个氢原子键合，O-H 键充当一个单元（水分子有两个这样的单元）。因此，化学键是导致这种单元的力。这些类似或不同的单元将根据需要再次相互结合，再次借助化学键，形成化合物。这种化合物的性质通常不同于参与键合的各个元素的性质。

所有元素都根据其性质允许它们键合的方式相互结合，通过这些化学键，形成了超过 700 万种已知化合物。这与语言字母表中的一些字母以不同的模式排列，产生无数单词，进而形成许多句子相同。正如语法规定了语言中词语和句子的形成规则一样，也有一些条件规定了不同元素之间形成化学键。每种键类型的这些条件将在后续主题中详细讨论。但是，在了解化学键的含义之后，我们必须解释化学键合的基本因素：为什么发生化学键合？原子通过化学键相互结合的原因是什么？另一个问题是，当原子处于其基态时呈中性，是什么物质负责它们之间的力，称为键？换句话说：化学键是如何形成的？最后一个基本问题是：如何通过观察形成的键来确定化合物性质的变化？这三个是化学键合的基本问题。再次列出它们

• 为什么发生化学键合？
• 化学键是如何形成的？
• 如何通过观察形成的键来确定化合物性质的变化？

价态

在尝试回答上述每个问题之前，我们必须了解原子的一个重要特征。这个特征被称为价态或化合价。虽然这个概念是在 18 世纪发展起来的，但价态的第一个理论是由爱德华·弗兰克兰在 1852 年提出的。价态这个词源于拉丁语Valencia，意思是容量。这意味着它是原子的结合能力。因此，元素的价态被定义为该元素的一个原子与多少个氢原子或氯原子结合形成化合物。H 和 Cl 的价态被认为是 1。例如，由于氧与两个氢原子结合形成水分子，因此氧的价态被认为是 2。但是这种评估价态的方法得出了可变的和分数的价态。氮在化合物 NH₃、N₂H₄ 和 N₃H 中的价态分别为 3、2 和 1/3。因此，这会增加更多的混乱，因此，价态的定义被认为是元素的一个原子在一个分子或化合物中可以形成的化学键的数量。但是即使这样也产生了可变的价态，没有解决混乱。但是，在发现称为电子的带负电的基元粒子之后，价态理论得到了很好的改进。这个理论被称为电子价键理论。它阐明了我们现在知道的事实，即电子是化学键合的原因。根据这个理论，价态是原子最外层电子壳中存在的电子数量。这个电子壳被称为价层。该理论将在解决化学键合的第一个基本问题后详细讨论。

键合的原因

如前所述，化学键合是两个或多个相同或不同元素的原子之间发生的一些相互作用。但是我们必须友好地同意，这并不是为了形成化合物而发生的。这些化合物的形成完全是无意的，人类对它们的利用也是一样的偶然性。这些相互作用的原因是相当自然的。

能量的总体下降

宇宙中的每个系统都倾向于保持在最低能量形式。这是一个公认的公理。由于原子也是一个自然系统，因此它也具有获得具有最低势能状态的趋势。只有在这种情况下，原子才会结合在一起。这意味着原子键合的基本原因是它们通过形成键来释放其存储的势能。这是化学组合的唯一原因。现在我们必须理解化学键的形成是如何导致原子中存储的能量下降的？这需要一些关于功-能定理的知识。根据这个定理，对系统所做的功等于同一系统的动能变化。

$W=\Delta \mathrm {KE} -(1)\$

我们还知道功等于力与位移的乘积，前提是这两个向量方向相同。或者我们也可以说功是力向量与位移向量的点积。

$W={\vec {F}}\cdot {\vec {d}}-(2)$

公式 (1) 和 (2) 意味着力与位移的乘积等于系统的动能变化。

${\vec {F}}\cdot {\vec {d}}=\Delta \mathrm {KE}$

但根据能量守恒定律，动能的正变化等于势能的负变化。

$\Delta \mathrm {KE} =-\Delta \mathrm {PE}$

在相互作用过程中起作用的力的图示。

因此，随着力与位移的点积增加，势能减少。这个规则解释了原子之间的相互作用。例如，如果两个原子彼此靠近，就会出现三种类型的吸引力和排斥力。它们是

1. 两个原子电子（两个原子）与两个原子核之间的吸引力。
2. 两个原子核之间的排斥力。
3. 电子之间的排斥力。

为了使原子结合，吸引力应大于排斥力。如果这三种力的功的合力为正，则原子储存的势能减少。因此，只要没有外部因素干扰这种相互作用，这两个原子都倾向于继续相互作用。如果上述三种力的功为负，则形成键的可能性较小。请记住，能量的降低会导致原子之间的相互作用，这种相互作用不能解释为键，因为这种相互作用很容易受到外部干扰。因此，它们不太稳定。键是指更牢固地结合原子，从而产生更稳定的化合物。此外，需要注意的是，原子键合的根本原因始终是能量的降低。

获得稳定的构型

如上所述，原子只有在储存的势能降低时才会相互结合。而影响原子储存能量的因素之一是其电子构型。1916 年，世界著名的化学家吉尔伯特·N·路易斯和沃尔特·考塞尔独立发现，在普通条件下，属于元素周期表最后一组的惰性气体元素的原子具有最小的势能。发现这是由于它们最外层电子壳或价层的电子构型。在这种情况下，它们不需要与任何其他原子形成键，这意味着它们在化学上是惰性的。因此，任何其他原子，无论其原子序数如何，只要其价层的构型与这些惰性气体最外层壳的构型相同，就被认为具有最小能量，因此更稳定。这被称为八隅体规则。除了氦，所有其他惰性气体最外层壳的构型都是 ns², np⁶。氦的最外层壳的构型只是 ns²。然而，由于氦的价层没有 p 轨道，最外层壳中的 2 个电子对稳定性是可以接受的。只有在没有 p 轨道的情况下才适用。因此，最外层壳的构型为 ns², np⁶ 或 ns²（在特殊情况下）的原子是稳定的。它们在这种状态下稳定的原因还为时过早。因此，在这个水平上，我们必须将其视为公理。

因此，原子总是倾向于获得这种惰性气体的构型。它们通过与其他原子相互作用并与它们形成键来实现这一点。这种键形成的机制回答了化学键合的第二个基本问题。在了解了价键电子理论之后，将对其进行详细解释。由此，我们了解到原子中电子的排列是化学键合的原因。因此，电子间接地导致了化学键合。需要注意的是，八隅体规则并不总是适用。有一些例外，将在八隅体规则的失效中解释。

价键电子理论

价键电子理论是赋予价键独特性质的理论。它实际上是由于电子的发现而发展起来的。由于它是一个将价键与电子联系起来的理论，因此被称为价键电子理论。该理论由吉尔伯特·N·路易斯和沃尔特·考塞尔提出。正如我们所知，他们发现惰性气体由于其最外层电子壳的构型而呈惰性。它们的最外层壳中有 8 个电子，氦除外。这意味着最外层壳中的电子数量与原子的稳定性有关。换句话说，电子本身就是化学键合的原因。因此，发展了这个理论。这个理论还解释了键是如何形成的。这个理论的主要要点是

1. 价键是指给定原子最外层电子壳中的电子数量。这个最外层壳称为价层。
2. 在普通条件下，那些价层构型为 ns², np⁶ 或只是 ns²（在特殊情况下）的元素在化学上呈惰性。它们具有最小的储存能量，不需要形成任何键。这些被称为惰性气体。
3. 没有上述价层构型的原子不太稳定。它们总是倾向于获得惰性气体的构型，即价层中有 8 个电子，并获得稳定性。
4. 可以通过与其他原子相互作用来获得上述价层构型。这些相互作用有两种类型
   1. 以这样一种方式获得或失去电子，即最终两个原子都有 8 个价电子。
   2. 原子之间共享电子。（注意：电子只能成对共享）

原子获得、失去或共享电子是导致原子之间吸引的相互作用。因此，这些相互作用可以称为键。涉及电子获得或损失的相互作用称为离子键，而涉及共享的相互作用称为共价键。这些键类型的全面分类将在下一节讨论。现在，价键电子理论可以总结如下：两个或多个原子的结合方式是电子重新排列（通过转移或共享电子），以便它们都获得具有最小储存能量的惰性气体构型。

化学键的形成

现在我们知道电子是化学键合的原因，我们将能够回答第二个问题。化学键是通过两个原子之间的相互作用形成的，这些相互作用涉及相互作用原子中电子的重新排列。这种重新排列可能是由于电子的转移或共享。这些重新排列导致将相互作用的原子结合在一起的力量。这些力称为键。有许多类型的键。首先，我们将学习三种基本的键类型。其中两种非常相似。它们是

离子键

这是由于一个原子向另一个原子转移电子而形成的键。这种转移导致原子形成相反的电荷。这些带电原子（称为离子）相互吸引，形成键。

共价键

在这种键中，相互作用的原子共享电子对。但两个原子都应该贡献相同数量的电子，以便它们都获得八隅体构型。

配位键

这与共价键类似。但是，这里共享的电子对只由一个原子贡献。换句话说，一个原子贡献两个电子，而另一个原子不贡献任何电子，用于共享。

除此之外，还有另一种类型的键，即金属键。在这种键中，金属在其所有原子之间共享电子。我们将在后面的章节中详细学习所有这些键类型。我们将在适当的时候介绍更多化学键理论。

路易斯符号

一些元素的路易斯点结构

路易斯符号，也称为路易斯点结构，是用来表示任何元素原子的结构。它们以吉尔伯特·N·路易斯命名，他于1916年在他的文章《原子与分子》中引入了这些结构。这些结构被广泛用于象征性地表示一个原子的化合价（最外层电子数）。这些符号基本上让我们了解原子价层中未配对电子的数量。它们用元素符号表示，周围环绕着点或叉。任何元素的点数量最多为8，因为原子的化合价不能超过8。为了书写一个原子的结构，我们首先需要知道该原子的确切电子构型。然后我们需要计算原子最外层/价层中的电子数量。最外层轨道上的电子数量决定了原子的化合价。这些点或叉被放置在元素符号周围。

例如，氯在其最外层有7个电子。这意味着它的化合价为7。然后氯的路易斯符号用7个点或叉环绕它的符号（Cl）表示，如旁边图所示。通过这种方式我们发现Cl有一个未配对电子。我们也可以用类似的方法绘制任何元素原子的路易斯结构。路易斯结构也可以绘制成键合的原子。这些方面将在另一章中讨论。

第三个问题？

化学键合的第三个问题是：键的性质如何决定形成化合物的性质？ 这个问题的答案主要取决于原子之间的键类型。因此，我们可以详细了解化合物的特性，这取决于其形成过程中所涉及的键类型。然而，有些化合物的性质不能用键类型来解释。为了解释它们，提出了许多其他化学键理论。我们将在适当的时候学习它们。