共价键(一)
看透电子配对机制、键参数来源与极化极限,不再凭直觉下结论
按 空格/→ 演示下一步
全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放
共价键(一)
看透电子配对机制、键参数来源与极化极限,不再凭直觉下结论
根据键类型判定σ键和π键数
氢气H—H里就一个共价键,最简单。可氧气O=O、氮气N≡N里到底有几个σ、几个π?这页用一套规则让你拿到任何结构式都能秒数。
面对面贴紧=头碰头=σ;并排站手臂相碰=肩并肩=π
利用键能估算化学反应热效
上一页我们数出了分子里有几根σ键、几根π键,但还没问它们多'牢固'。能不能用键的强度来算反应的吸放热?这就是键能的用处。
拆房要请工人花钱(断键吸能),盖好新房产出赚钱(成键放能),净收支对应反应热
用原子轨道模型解释共价键
上一页我们用 σ/π 给共价键分类,那凭什么两个原子能「共」出电子?经典力学给不出答案——量子力学说:原子轨道重叠。
两只手交叠处才是用力点,对应重叠区——电子云在此「双人共用」,同时拉住两个核
用电负性差判断键类型
上页我们用轨道重叠解释了共价键——电子被两个原子共享。可一旦换成不同原子,共享就「偏心」了:H₂O 里氧把电子拽得紧,HCl 里氯比氢更贪。这「偏心程度」该如何量化?
手劲大者把袋子拉向自己那侧,手劲小者放手更多;Δχ 越大,电子云越偏向电负性大的原子
共用电子对
上一节我们看到两个原子轨道重叠后能成键,但到底是什么把两个原子'黏'在一起?答案藏在两核之间那对配对的电子里——这就是共用电子对。
两人各出一份力,扁担上的重物被双方共有、共受力——对应两核共有、共吸一对电子
共价键的饱和性
上页说原子靠共用电子对形成共价键。但每个原子能形成的键数不是无限的——H 最多 1 根、O 最多 2 根、N 最多 3 根。这种'上限'就叫共价键的饱和性。
每人手指数有限(=未成对电子数),配完一对就少一个空位
原子轨道重叠形成共价键
两只手合十时手指交错咬合——原子轨道重叠形成共价键,也是类似的「咬合」过程。
手指交错=电子云在两原子间重叠,扣得越紧重叠越多,键越稳
σ键
上页讲过,两原子轨道靠近重叠就形成共价键。但「重叠方式」不同,键型差别很大。最基本、最常见的一种,是轨道沿键轴「头碰头」重叠——这叫 σ 键。
「正面对正面」重叠,接触面大、握得紧,对应 σ 键重叠充分、键能高
π键
σ键是两个原子轨道沿键轴'头对头'重叠。当两个原子需要更多共用电子对(比如C=C、C≡C),仅有σ键还不够——未参与杂化的p轨道会再叠一次。这次怎么叠?
双手从圆柱上下合拢,电子云分布在键轴上下方,键轴所在平面是空的
s-s σ键
上一页我们说σ键是「头碰头」重叠。但什么样的轨道能头碰头?最简单的情况:两个s轨道。这一页从最基础的s-s σ键开始,把σ键这个抽象概念落到具体的电子云图像上。
弹珠沿直线「头碰头」时接触点在连线正中,对应s轨道沿键轴重叠、电子云在核间最密
s-p σ键
上一页 s-s σ键是两只球对称轨道对撞。但 H 原子只有 1s 球形轨道,没有 p——它和 Cl、H₂O 中的 O 怎么成键?这就要把 s 接到有方向的 p 上。
一人手掌自然张开(s 球对称、无方向偏好),另一人手臂伸向对方(p 有方向),面对面掌对掌即头碰头
p-p σ键
上一页s-p σ键是一个圆球撞一个哑铃头碰头。如果两边都换成有方向的p轨道会怎样?比如Cl₂、F₂的单键——这正是p-p σ键登场的地方。
击掌是沿键轴正面接触;并肩侧伸手是垂直键轴的平行接触
σ键的轴对称性
上一页讲了s-s、s-p、p-p三种轨道头碰头重叠形成σ键。但「头碰头」到底是什么形状?为什么它和π键的几何特征截然不同?这就要看σ键最核心的特征——轴对称性。
香肠绕长轴怎么转形状都不变;σ键电子云绕两核连线旋转,截面也保持一致
π键的镜面对称性
σ键是绕轴旋转怎么转都不变形,π键却没这种本事。把两个p轨道肩并肩重叠时,电子云被一块「镜子」整齐地分到两侧——这块镜子就是π键的对称镜面。
书脊方向就是键轴,书页向左右展开恰如电子云在镜面两侧对称分布
本节要点
- ✓共价键有两面:共用电子对 + 轨道重叠,缺一不可
- ✓σ头碰头轴对称可旋转,π肩并肩镜面对称不可旋转
- ✓ΔH ≈ 断键吸热 − 成键放热,键能即可估算反应热
- ✓电负性差是连续谱:差值越大键极性越强
- ✓饱和性:成键数受限于未配对电子数,而非空间大小
课后思考
先独立想,再看参考答案:看你能从键的性质推到哪里。
参考答案π键电子云分布在键轴两侧,绕轴旋转会破坏两侧电子云的重叠;σ键电子云沿轴对称分布,旋转不改变重叠程度。因此含π键分子存在顺反异构现象。
参考答案N₂含N≡N(1σ+2π),H₂含H-H,NH₃含3个N-H。断键吸热(断1个N≡N+3个H-H),成键放热(成6个N-H)。ΔH=Σ断键能-Σ成键能,结果为负即放热。
参考答案配位键一旦形成,与普通共价键无本质区别——都是两原子共享一对电子。区别仅在形成过程:一方提供空轨道(如NH₄⁺中H⁺),另一方提供孤对电子(如NH₃中N)。