地球行星/3f. 化学键（离子键、共价键和其他）
原子之间形成三种主要的键，将它们连接成一个分子：共价键、离子键和金属键。由于分子本身的配置相关的吸引性质，还有其他方法可以将原子弱弱地连接在一起，包括氢键。
共价键 是化学中最强的原子间键。共价键是两个或多个原子共享价电子以完成其轨道壳层。共价键的最简单示例是在两个氢原子键合时发现的。请记住，每个氢原子都有 1 个质子和 1 个电子，但是要填满 s1 轨道需要 2 个电子。氢原子将成对分组，每个原子贡献一个电子到 s1 轨道壳层。化学氢将成对，这由化学式 H2 表示。可以通过引入氧与氢来说明另一种常见的共价键。请记住，氧需要两个价电子来填满其一组电子轨道，因此它与 2 个氢原子键合，每个氢原子都有 1 个价电子在原子之间共享。H2O 是冰或水的化学式，其中 2 个氢原子（每个原子都有一个电子）与一个氧原子键合，该氧原子需要 2 个电子来填满其 s2 p2 轨道。在共价键中，原子共享电子以完成轨道壳层，并且由于电子在原子之间共享，因此共价键是化学中最强的键。
例如，氧将配对以共享 2 个电子（称为双键），形成 O2。氮也一样，配对形成 N2，通过共享 3 个电子（称为三键）。然而，在氮和氢的存在下，氢将与氮键合形成 NH3（氨），因为它需要每个氢原子贡献 3 个电子来填满所有轨道。碳有 4 个价电子，最常与氢键合形成 CH4（甲烷或天然气），因为它需要每个氢原子贡献 4 个电子。通过两个原子共享 4 个或更多个电子形成的键非常罕见。
电子在原子之间平均分配使得这些键非常强。共价键可以形成晶格结构，当价电子用于将原子连接在一起时。例如，钻石是由连接的碳原子组成的。每个碳原子与另外 4 个碳原子连接，每个碳原子之间共享一个电子。如果连接的碳形成环状结构，而不是晶格结构，则碳以石墨的形式存在（用在铅笔末端）。如果连接的碳形成晶格结构，则晶体形式更硬，即钻石。因此，石墨铅笔芯和珍贵钻石之间的唯一区别是碳原子之间的键在共价键中如何连接在一起。
离子键 是化学中最弱的原子间键类型。离子键是一个原子给出一个价电子以完成另一个原子的轨道壳层。例如，锂只有一个价电子，它想摆脱它，因此它会将电子给予或贡献给一个氟原子，而氟原子需要一个额外的价电子。在这种情况下，电子没有被两个原子共享，但是，当锂给出其价电子时，它会变成带正电，因为它拥有的电子少于质子。而氟，将拥有比质子更多的电子，并且会带负电。由于这种电荷，原子将被吸引在一起。质子和电子数量不同的原子称为离子。 离子 可以是像锂一样的带正电的，称为阳离子，也可以是像氟一样的带负电的，称为阴离子。
您遇到的一个关于离子键的绝佳示例是食盐，它由钠 (Na) 和氯 (Cl) 组成。钠有一个额外的价电子，它想放弃，而氯希望吸收一个额外的电子来填满其轨道，这会导致钠 (Na) 和氯 (Cl) 离子键合形成食盐。但是，盐中的键很容易断裂，因为它们不是通过共享电子，而是通过它们不同的电荷来保持在一起的。当盐滴入水中时，水分子会拉开钠和氯，形成钠和氯离子（盐溶解在水中）。离子化学式通常表示为 Na+ 和 Cl− 来表示电荷，其中 + 符号表示阳离子，− 符号表示阴离子。有时一个原子会放弃或接收两个或更多个电子，例如钙通常会放弃两个电子，形成带 +2 正电荷的阳离子 Ca2+。
共价键和离子键之间的区别在于，在共价键中，电子在原子之间共享，而在离子键中，电子在原子之间给出或接收。一个很好的类比是两个孩子的友谊。如果朋友们分享一个球，通过互相传递，他们彼此之间以共价键的形式结合在一起，因为球在他们之间是平等共享的。但是，如果一个朋友有一个额外的冰淇淋蛋筒，并将其交给他们的朋友，那么他们彼此之间以离子键的形式结合在一起。
一些分子可以同时具有离子键和共价键。一个很好的例子是常见的分子碳酸钙 CaCO3。碳原子与三个氧原子共价键合，这意味着它在碳原子和氧原子之间共享电子。通常碳只与两个氧原子共价键合（形成二氧化碳 CO2），每个氧原子共享两个电子，总共 4 个。然而，在碳酸盐的情况下，三个氧原子与碳键合，其中 2 个共享 1 个电子，而 1 个共享 2 个电子，这会导致 2 个额外的电子。因此 CO3-2 有两个额外的电子，它想放弃，并且带负电。钙原子比完整壳层多 2 个电子，并且会失去这些电子，形成带 +2 正电荷的阳离子，Ca+2。因此离子 CO3-2 和 Ca+2 具有相反的电荷，它们将键合在一起并形成 CaCO3，碳酸钙，这是石灰石和生活在海洋中的贝壳生物中常见的一种分子。与盐不同，CaCO3 不会轻易溶解在纯水中，因为离子键相当强，但是如果水略微酸性，CaCO3，碳酸钙会溶解。
当溶液中含有大量氢离子时，该溶液被称为酸性溶液。氢离子失去 1 个电子，形成阳离子 H+。当溶液中氢离子过量时，这些氢离子会通过与阴离子键合来断开离子键。例如，在 CaCO3 中，氢离子可以与 CO3-2 形成键，形成 HCO3- 离子，称为碳酸氢根，溶解 CaCO3 分子。酸通过引入可以溶解形成这些离子键的分子的氢离子来断开离子键。请注意，含有大量阴离子（例如 OH-）的溶液也可以断开离子键，这些溶液被称为碱。因此，碱性溶液是含有过量阴离子的溶液。在这种情况下，钙将与 OH- 阴离子形成键，形成 Ca(OH)2，氢氧化钙，它在水溶液中被称为石灰水。
H+ 和 OH- 离子的比例用 pH 值来衡量，使得 pH 值为 7 的溶液具有相同数量的 H+ 和 OH- 离子，而酸性溶液的 pH 值小于 7，含有更多的 H+ 阳离子，而碱性溶液的 pH 值大于 7，含有更多的 OH- 阴离子。
金属键 是金属的独特特征，可以描述为一种特殊的离子键，涉及在带正电荷的离子（阳离子）结构中共享自由电子。由金属键合原子组成的材料表现出高导电性，因为电子可以自由地在原子之间穿过其表面。这就是为什么电线由铜、金和铁等金属组成，因为它们可以沿着其表面传导电流，因为电子在许多原子键之间均匀地共享。由金属键合组成的材料也具有金属光泽或光彩，并且由于这些键的柔韧性，更容易延展（弯曲）。
金属键容易受到氧化。氧化是一种化学反应类型，其中金属键合原子失去电子到氧化剂（通常是氧原子），导致金属原子与氧共价键合。例如，铁 (Fe) 可以是 Fe2+（二价铁）或 Fe3+（三价铁）阳离子，它们会失去电子，并可以从氧 (O-2) 中获得这些缺失的电子，氧在其轨道中有两个额外的电子，从而形成一系列称为氧化铁的分子，例如 Fe2O3。这就是为什么金属（如铁）会生锈或腐蚀，而银会随着时间的推移而变黑。这些金属键通过从周围的氧原子中获得额外的电子来与周围的氧原子发生反应。氧气在空气中、水中和酸性溶液（腐蚀性溶液）中很常见，防止金属氧化的唯一方法是限制其与氧气（以及其他原子，如氟，它们有额外的电子）的接触。
当电子被获得时，反应被称为还原反应，它是氧化的反义词。总的来说，这些类型的化学反应被称为“氧化还原”反应，它们是化学中的一个重要方面。此外，氧化还原反应中电子的转移是电池中储存多余电子（电力）的一种有效方法。
共价键、离子键和金属键都需要原子之间交换电子，因此它们都是相当强的键，其中共价键是最强的键类型。然而，分子本身会因为原子的排列而发生极化，因此一个分子可以具有正极和负极。这经常发生在含有与较大原子键合的氢原子的分子中。这些类型的键非常弱，很容易断裂，但在水的化学和对生命必不可少的生物分子中产生了非常重要的方面。氢键 在水中形成，是液态水和固态冰之间体积膨胀的原因。水是由氧原子与两个氢原子共价键合而成的 (H2O)。这两个氢原子的分布将一个电子贡献给 p2 轨道，p2 轨道需要 6 个电子。因此，由于第一个 p2 轨道中的一对电子，这两个氢原子被稍微推向彼此，形成了一个类似“老鼠耳朵”的分子。这两个氢原子带正电荷，与氧原子另一侧没有氢原子的那一侧相比，使分子在氢原子侧略带正电荷。因此，水分子以弱键的形式相互取向，这些弱键位于带正电荷的氢原子和原子负电荷侧的开放空间之间。氢键最好被认为是在共价键合到更具电负性的原子（如氧 (O) 和氮 (N)）上的氢 (H) 原子之间的静电引力。氢键非常弱，但在生物体中提供了重要的键，例如 DNA（脱氧核糖核酸）双螺旋结构中的螺旋内部的键，氢键在植物组织和血管中的水运输毛细管力中很重要，以及细胞膜中的疏水（斥水）和亲水（吸水）有机分子。
氢键通常被认为是一种特殊的弱范德华分子力，它会导致带电或极化分子之间静电相互作用的吸引或排斥。这些力很弱，但它们在使某些分子比其他分子更“粘稠”方面发挥作用。正如你将在后面学到的，水由于这些氢键而成为一种特别“粘稠”的分子。
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