《物质结构与性质》——8、共价键

第一节　共价键

许多物质由分子构成，而分子又是由原子构成。

一、共价键

化学键是相邻的原子之间强烈的相互作用。共价键是原子间通过共用电子对所形成的相互作用。元素电负性之差小于1.7的一般形成共价键。

1、从共用电子对的角度认识共价键的形成

如H2、HCl、Cl2分子中共价键的形成：

共用电子对带负电荷，对两个原子核均产生静电作用，将两个原子结合在一起形成共价键。  

它们不可能形成H3、H2Cl和Cl3等分子，因为原子在与其它原子形成共用电子对时，按照价键理论，一个原子有几个未成对电子，便可和几个自旋状态相反的电子配对成键，这就是共价键的饱和性。

如，H原子的最外层只有1个电子，需要与其它原子形成1个共用电子对，成为2个电子的稳定结构；Cl原子的最外层有7个电子，需要与其它原子形成1个共用电子对，成为8个电子的稳定结构。所以一个H原子必然与另一个H原子形成H2分子，与另一个Cl原子形成HCl分子，一个Cl原子必然与另一个Cl原子形成Cl2分子。

再比如，N原子最外层有5个电子，其中3个未成对，每个N原子需与3个H原子分别形成3个共用电子对，成为稳定状态，从而形成了NH3分子。

2、从原子轨道概念认识共价键的形成

前面从形成共用电子对的角度理解共价键，还可以从原子轨道的概念理解共价键的形成。

H—H的形成过程：

两个H原子的1s原子轨道相互靠拢、重叠，两个自旋方向相反的单电子成为一对电子，进入重叠的原子轨道，电子对围绕两个原子核运动，电子对带负电荷把带正电荷的两个原子核“黏结”在一起。

这种共价键称σ键，氢气分子中的σ键是两个s原子轨道重叠而成，又称s-sσ键。它可围绕键轴（两个原子核的连线）旋转，而共价键的电子云图形不变，这种特征称为轴对称。

H—Cl的形成过程：

H原子的1s原子轨道和Cl原子的一个3p原子轨道（有一个单电子的原子轨道，另外两个3p轨道各有一对电子），相互靠近、重叠，两个自旋相反的单电子成对，对两个原子核产生静电作用，形成一个σ键。  

HCl分子中σ键称为s-pσ键，也可围绕键轴旋转。s原子轨道是球形，p原子轨道是哑铃形，以“头碰头”方式重叠，这样使重叠程度最大。

Cl—Cl的形成过程：

两个Cl原子中有单电子的3p原子轨道相互靠近、重叠，形成p-pσ键，也可围绕键轴旋转，其重叠方式也是“头碰头”重叠，使其重叠方式最大。

两个原子的p轨道还可以形成π键：

两个原子的p原子轨道“肩并肩”重叠，每个π键的电子云由两块组成，分别位于由两原子核构成平面的两侧，它们互为镜面对称。由于有两部分重叠，π键不能围绕键轴旋转。π键不如σ键牢固，较易断裂。

3、σ键和π键的区别

（1）原子轨道的重叠方式不同。σ键是两个原子轨道“头碰头”重叠形成，而π键是两个原子轨道“肩并肩”重叠形成的。

（2）电子云的形状有明显区别。σ键电子云以键轴对称，可以围绕键轴旋转；π键电子云由两块组成，互为镜像对称，不能围绕键轴旋转。

（3）键的强度不同。σ键强度大，比较牢固，不易断裂；π键一般强度小，易断裂。

4、σ键和π键的判断方法

一般规律：

两个原子间首先必须形成、且只能形成一个σ键，π键不能单独形成。

思考：

（1）观察乙烷、乙烯和乙炔的分子结构，它们的分子中共价键分别由几个σ键和几个π键构成。

乙烷分子中有7个σ键；乙烯分子中有5个σ键和1个π键；乙炔分子中有3个σ键和2个π键。

（2）解释乙烯、乙炔分子中的π键是如何形成的。

乙烯分子中两个碳原子先形成一个σ键，碳原子的2p原子轨道发生“肩并肩”重叠形成一个π键。乙炔分子中两个碳原子先形成一个σ键，碳原子的2p原子轨道发生“肩并肩”重叠形成两个π键。

（3）乙烷不能使酸性高锰酸钾溶液、溴水褪色，而乙烯能使酸性高锰酸钾溶液、溴水褪色。怎样解释。

乙烷分子中只有σ键，不易断裂，所以其性质不活泼，不能被酸性高锰酸钾溶液氧化，也不能与溴加成；而乙烯分子中有π键，容易断裂，能被酸性高锰酸钾溶液氧化，也能与溴加成。

（4）2-丁烯（CH3CH=CHCH3）为什么有顺反异构。

碳碳双键由一个σ键和一个π键构成，π键不能围绕键轴旋转，导致两个甲基（—CH3）可以在双键同一侧或分在两侧，出现了顺反异构。

（5）钠和氯通过得失电子同样形成电子对，为什么这对电子不被钠原子和氯原子共用形成共价键而形成离子键呢？你能从电负性差值的角度来理解吗？

结论：当元素的电负性相差很大，化学反应形成的电子对不会被共用，形成的将是离子键；而共价键是元素的电负性相差不大的原子之间形成的化学键。  

小结：

1、共价键的分类

按共用电子对的偏移：分为极性共价键（极性键）和非极性共价键（非极性键）

按形成共用电子对的数目：分为单键、双键、三键

按原子轨道的重叠方式：σ键、π键

2、共价键的特点

饱和性、方向性

云水散人