【种花家务·化学】2-3-04化学键，分子的形成——『数理化自学丛书6677版』

2023-02-02 11:18 作者:山嵓 0人读过 | 我要投稿

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。

第三章原子结构和元素周期律

§3-4化学键，分子的形成

【01】在第一册第一章里【山注，1-1-05，传送门CV20240795】，我们已经知道，分子是由原子组成的；同种原子组成单质的分子，不同种原子组成化合物的分子。那么，原子是怎样结合而形成分子的呢？

【02】上一节介绍的惰性气体元素的原子，它们具有饱和的最外电子层，是一种特别稳定的结构，所以它们一般都不参加化学反应，它们都是单原子分子。但是，其他元素的原子结构情况并不这样，它们的最外电子层都是不饱和的，然而它们都有要成为稳定结构的倾向。原子相互结合成分子，就是由于这种倾向所引起的。

【03】分子中原子之间存在着各种不同的结合关系，也就是说，它们之间结合的方式各有不同。分子中直接相邻原子间的结合在化学上叫做化学键。化学键有各种不同的类型，这里我们介绍离子键和共价键两类。

离子键

【04】大多数金属元素的原子，最外电子层只有1个、2个或3个电子，远没有达到饱和状态。同时，实验证明，这些金属原子最外层的电子和原子核的联系比较弱，因此比较容易离开原子。当金属原子参加化学反应时，最外层上的电子就会完全离开原子，使原来一般含有2个、8个或18个电子的次外层变为最外层，因此成为稳定的结构。但是我们知道，整个原子是不显电性的，当原子失去电子后，负电荷数减小，从而使整个原子显现出正电。例如钠原子的最外层上有1个电子，失去这个电子后，就显示出次外层上的8个电子，就象氩原子的结构一样（参看图3·8），变成了稳定结构，但带上了1个正电荷。

【05】活动的非金属元素的原子，它们最外电子层有4个、5个、6个或7个电子，当参加化学反应时，它们的最外电子层，都具有吸引其他原子的电子，使本身达到稳定结构的能力。结合电子后，由于负电荷数增加，非金属元素的原子就带上了负电。

【06】这种带有电荷的原子（或原子团）叫做离子。原子失去或得到多少电子，离子就带有多少正电荷或负电荷。带有正电荷的离子，叫做阳离子，在元素符号的右上角用一个或几个“+”表示所带的正电荷数。象失去1个电子后的钠原子，就变成带有1个正电荷的钠离子。钠离子写成 $Na%5E%2B$ 。又象失去3个电子后的铝原子，变成带有3个正电荷的铝离子。铝离子写成 $Al%5E%7B%2B%2B%2B%7D$ 。带有负电荷的离子，叫做阴离子，在元素符号的右上角用一个或几个“-”表示所带的负电荷数。象结合1个电子后的氯原子，变成带有1个负电荷的氯离子。氯离子写成 $Cl%5E-$ 。结合2个电子后的硫原子，变成带有2个负电荷的硫离子。硫离子写成 $S%5E%7B--%7D$ 等等。

【07】由于活动的金属原子和活动的非金属原子有放出电子和结合电子的倾向，因此，当它们相遇时，金属原子就会把最外层上的电子供给非金属原子，使双方都成为最稳定的结构。在这种情况下，金属原子变成阳离子，非金属原子变成阴离子。由于带有异性电荷的离子的相互吸引（这种吸引力，叫做静电引力）【在吸引、接近的同时，离子的核与核之间，电子与电子之间尚有相互排斥作用】，它们就紧密地结合在一起而形成了分子。其中的化学键叫做离子键（或电价键），是化学键的一个类型。由这种化学键结合起来的分子所组成的化合物，叫做离子化合物。例如氯跟钠化合时，钠原子和氯气分子里的氯原子在反应前是不显电性的。当氯原子从钠原子那里得到了1个电子后，就变成了氯离子( $Cl%5E-$ )；钠原子失去了1个电子后，就变成了钠离子( $Na%5E%2B$ )。结果，钠离子和氯离子就相互吸引而形成氯化钠。在形成氯化钠的时候，发生了电子从钠原子转移到氯原子的过程。图3·10是氯化钠形成的示意图。氯化钠里的化学键就是离子键，氯化钠就是一种离子化合物。

【08】活动的金属元素跟最活动的非金属元素生成的化合物，一般都是离子化合物。例如许多金属氧化物和盐类都是属于离子化合物。

【09】离子化合物的形成过程，也可用电子转移的形式表示。例如上述氯化钠的形成也可表示如下：

【10】这样写法要注意：(1)方程式必须平衡；(2)要写上电子转移的总数；(3)生成物上要写上离子符号。【方程式中的e表示电子，也有用Θ表示的】

共价键

【11】上面介绍的是活动的金属元素跟活动的非金属元素以离子健结合的离子化合物，当由二个相同的非金属原子，或性质相近的非金属原子结合成分子时，由于它们的原子核对电子的吸引力相等或相似，电子就不可能从一个原子转移到另一个原子，那么，它们又是怎样结合的呢？

【12】首先，我们以氯分子的形成为例，来研究二个相同的非金属原子的结合情况。

【13】氯原子的最外电子层上有7个电子，要使这电子层成为8个电子的稳定结构，还需要从其他原子里获得1个电子。当二个氯原子互相接近的时候，它们都倾向于从对方的最外电子层里取得1个电子。但是由于二个氯原子的电子层数相同，最外电子层上的电子数也相同，因此它们吸引电子的能力必然相等。它们就不可能从对方的最外电子层里将电子吸引过来。在这种情况下，只能由二个氯原子的最外层里各供给1个电子作为二个原子的共用电子，从而使二个原子都成为稳定结构。也就是说，它们通过共用电子的形式结合而成分子。这种由二个原子共用的一对电子叫做共用电子对。二原子就依靠这种电子对互相结合成为一个整体。

【14】我们把原子和原子通过共用电子对而相互结合的化学键，叫做共价键（或原子键）。氯气分子里的化学键就是共价键。其他象氢分子的形成过程也同样。

【15】以上这些分子的形成过程可采用电子式的形式来表示所谓电子式，就是在某元素符号的周围，用小黑点或其他记号(如“×”)代表电子，以表示这个原子的最外层里的电子（每二个电子用一个记号）数。例如：

【16】上面讲的氯分子的形成，用电子式的形式可表示如下：

【17】前面介绍的离子化合物，也可以用电子式表示。但和表示共价分子的形成过程有所不同：在反应物的电子式上应该用箭号表示电子的转移；在生成物的电子式中，由于有离子存在，必须表明离子符号和所带的电荷数。例如氯化钠分子的形成过程，可用电子式形式表示如下：

【18】其次，我们来研究性质比较相近的不同种非金属原子的结合情况。它们的化合物里的化学键也是共价键。象氢原子与氯原子形成的氯化氢分子，就属于这一类型。现在我们就来研究氯化氢分子的形成过程。

【19】氢原子核外只有1个电子，它与其他非金属元素一样，也有取得电子达到稳定结构的倾向（成为2个电子的稳定结构，象氦一样）。当一个氯原子和一个氢原子互相接近的时候，它们各吸引对方的1个电子，组成一对共用电子对，使双方都成为稳定结构而形成氯化氢分子。氯化氢分子里的电子对同时环绕氢原子核和氯原子核运转。由此可以看出，氯化氢分子里的化学键也是共价键。具有共价键的化合物，叫做共价化合物。

【20】由相同的非金属原子所结合成的分子里，和由性质相近的非金属原子所结合成的分子里，都有共用的电子对，那末，这共用的电子对在二原子间所处的位置是否相同呢？显然，这要看二个原子对这个共用电子对的吸引能力的强弱来决定。

【21】同种原子组成的单质分子里的各原子，对共用电子对的吸引力是相等的，共用电子对就处在二原子的中间。例如，氯气分子里的电子对就均匀地分布在二个氯原子的中间。写氯气的电子式时，我们把共用电子对写在两个氯原子的正中，如

【22】化合物分子是由不同的原子所组成的，由于它们的原子结构不同，因此对共用电子对的吸引力就有差别，共用电子对就会或多或少地偏向于吸引力比较大的那个原子的一边。这种分子用电子式表示的时候，共用电子对应该偏近于对它吸引力比较大的那个元素的符号的一边。例如，氯化氢分子形成的时候，由于氯原子对共用电子对的吸引力大于氢原子对共用电子对的吸引力，因此，用电子式表示氯化氢的分子时，把共用电子对写在偏近于氯原子的一边，如：

【23】在共价化合物里，和共用电子对距离较近的那个原子的一端必然负电荷较强，和共用电子对距离较远的那个原子的一端必然正电荷较强，好象有了二个电性不同的极。这种共价键叫做极性共价键或简称为极性键。在具有极性键的各种化合物的分子里，由于共用电子对的偏向程度的不同，极性键又有强弱的区别。偏向程度大的叫做强极性键，偏向程度小的叫做弱极性键。除氯化氢分子具有极性键外，水( $H_2O$ )、硫化氢( $H_2S$ )、氨( $NH_3$ )等许多化合物的分子，也都是由极性键形成的。

【24】在氢气、氧气、氯气和氮气等等的分子里，电子对并不偏向于任何一个原子，分子的二端必然不会出现极性。这种共价键叫做非极性共价键或简称为非极性键。

【25】从上面的叙述，可见由原子形成分子的化学键主要有下列几种：

【26】当性质极不相同的元素（最活动的金属和最活动的非金属）的原子结合成分子的时候，原子间产生离子键：而当同种原子或性质比较相近的元素的原子结合成分子的时候，原子间就产生共价键。但是不难想象，当共价键的极性很强时，也就是二个原子对共用电子对的吸引能力相差悬殊时，其中一个原子对这个电子对的控制能力将接近失去，这实质上等于它失去1个电子，那末，这个化学键也就变成了离子键。因此共价键与离子键之间并没有严格的界限，而极性键实际上是介乎典型的非极性键和典型的离子键之间的过渡状态，也就是说，典型的非极性键和典型的离子键只是极性键的二个极端罢了。下表所引的例子，可以说明这个问题。