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主要内容

分子与化合物

化合物可分为离子型或共价型。分子是最简单的共价化合物单位,分子可以用许多不同的方式表示。 
原子是仍然保留着元素的基本化学性质的最小物质单位。然而,化学的大部分研究都涉及到研究当原子与其他原子结合形成化合物时会发生什么。化合物是由化学键结合在一起的一组独特的原子。正如原子的结构是由带正电荷的原子核和周围的带负电的电子之间的静电吸引结合在一起一样,化学键内部的稳定性也是因为静电吸引。为了进一步说明,请考虑两种主要类型的化学键:共价键和离子键。在共价键中,两个原子共享成对电子,而在离子键中,电子在两个原子之间完全转移,从而形成离子。让我们详细讨论这两种类型的化学键。

共价键和分子

当两个原子共用电子对时就形成了共价键。在共价键中,键的稳定性来自于两个带正电荷的原子核之间的共同静电吸引以及它们之间共享的带负电荷的电子。
如左图所示一个中性氢原子包含一个电子。两个氢原子可以通过将它们的每个电子贡献出来形成一个共价键来结合,如右图所描述的每个氢原子周围的灰云重叠的区域。在共价键中,电子对是在两个氢原子之间共享。当共价键形成时,我们不再有两个独立的氢原子,而是拥有一个氢分子--H2。图片选自:Wikipedia, CC BY-SA 3.0
当原子通过形成共价键而结合时,所得到的原子集合被称为分子。因此,我们可以说分子是共价化合物的最简单的单位。正如我们现在所看到的,存在着各种不同的方式来表示和描绘分子。

分子的表示方式:化学式

化学式,有时也被称为分子式,是最简单的表示分子的方式。在化学式中,我们使用周期表中的元素符号来表示存在哪些元素,我们使用下标来表示分子中每个元素存的原子有多少。 例如,一个 NH3 分子,氨,含有一个氮原子和三个氢原子。与它相比,一个 N2H4 分子,肼,含有两个氮原子和四个氢原子。
概念检查: 乙酸,一种在醋中常见的酸,它的化学式为 C2H4O2。三个乙酸分子中有多少个氧原子?
当你对化学的不断深入学习下去,你会发现有时化学家会以不同的方式编写分子式。例如,我们刚才看到的,醋酸的化学式为 C2H4O2;但是,我们经常会看到它被写成 CH3COOH。写成这种第二类化学式的原因是原子的写入顺序有助于表示乙酸的分子结构 - 这种方式有时被称为结构简式,因此,我们可以认为 CH3COOH 就像化学式和结构式之间的交叉,我们将在下面讨论。

表示分子的方式:结构式

化学式只告诉我们分子中有哪种元素存在多少原子,但结构式还能提供原子在空间中是如何连接的信息。在结构公式中,我们实际上绘制了连接原子的共价键。在最后一节中,我们看一下氨的化学式,即 NH3。现在, 让我们考虑一下它的结构式:
氨,NH3 的两种结构式。左边的结构式只给出了分子结构的二维近似情况,而右边的结构式则展示了原子在空间中的方向,它用虚线表示进入平面后面,用楔形线表示从平面出来到前面。右边结构式中氮原子上面的两个点表示一对孤对电子。图片选自:左图,Physique Applique, CC BY-NC-SA 4.0;右图:Wikipedia, CC BY-SA 3.0
从这两个结构式中,我们可以看到中心氮原子通过单个共价键与每个氢原子连接。但你要记住,这些原子和分子就像宇宙中的其他物体一样,存在于三维空间中 — 它们具有长度,宽度和深度。在左边的结构式中,我们只看到了这个分子的二维近似情况。然而,在右边更详细的结构式中,我们有一条 虚线 表示最右边的氢原子位于平面的 后面,而粗体的 楔形线 表示位于中心氢原子在平面 前面。氮原子上面的两个点表示不参与任何共价键的孤对电子。我们会在本节末尾讨论这些电子的重要性。为了更准确地展示这种三维形状,我们可以依靠 空间填充模型球棒模型。让我们思考一下用这两种模型表示 NH 3
氨,NH3 的空间填充模型(左),和球棒模型(右)。氮原子用蓝色表示,氢原子用白色表示。图片选自:左图,Wikipedia;右图,Wikipediapublic domain
左侧图片展示了氨的空间填充模型。氮原子被描绘为较大的中间是蓝色的球体,三个氢原子则被描绘为在侧面形成一个三脚架形状的较小的白色球体。分子的整体形状是一个金字塔形,氮原子在顶点,而三角形基底是由三个氢原子形成的。正如你将在分子形状和分子几何中学到的,这种排列方式被称为 三角锥形 。 空间填充模型的主要优点是它让我们感觉到不同原子的相对大小 -- 比如氮比氢的原子半径更大一些。
右图展示了氨的球棒模型。正如你可能猜测的那样,球代表原子,而连接球的棒代表原子之间的共价键。这种模型的优点是我们可以看到共价键,并且还可以让我们更容易地了解分子的几何形状。

离子和离子的形成

现在我们已经对共价键有所了解了,我们可以开始讨论另一种主要类型的化学键 -- 离子键。与共价键不同的是,当原子之间共享电子对时,如果两个相反电荷的离子相互吸引时, 就会形成一个离子键。为了更好地说明这一点,我们首先需要了解一下离子的结构和形成过程。
回想一下,中性原子的质子数和电子数是 相等的。其结果就是,质子的总的正电荷完全抵消了电子的总的负电荷,所以原子本身的总电荷或净电荷为零。
但是,如果一个原子获得或失去电子时,质子和电子之间的平衡就会被破坏,而原子就会成为一个离子 -- 一种具有净电荷的物质。让我们首先来看看当一个中性原子失去一个电子时会发生什么:
一个中性的钠原子,Na,失去一个电子形成阳离子,Na+. 图片来自: Introduction to Chemistry: General, Organic, and Biological, CC BY-NC-SA 3.0
在上图中,我们看到一个中性钠原子失去了一个电子。其结果就是钠离子,Na+,有11个质子,但是只有10个电子。因此,钠离子的净电荷为 1 +,它已经成为一个 阳离子 -- 即带正电荷的离子。
接下来,我们来看看阴离子 -- 具有净负电荷的离子,它的形成过程。
一个中性氯原子,Cl,获得一个电子形成阴离子,Cl。图片来自:Introduction to Chemistry: General, Organic, and Biological, CC BY-NC-SA 3.0
在这张图中,我们看到一个与钠原子相反的过程。一个中性氯原子(Cl)正在获得一个电子。其结果就是,新形成的氯离子 Cl 有17个质子和18个电子。因为每个电子携带 1- 的电荷,所以来自额外电子的氯离子的净电荷为 1- 。它已经成为一个 阴离子,即一个带负电荷离子。
注意: 当中性原子获得电子形成阴离子时,它们通常被用 -ide 的后缀命名。例如, Cl 是氯化物 chloride,Br 是溴化物 bromide,O2 是氧化物 oxide,N3 是氮化物 nitride,等等。

离子键

在上一节中,我们分别研究了钠如何失去一个电子形成阳离子 Na+,以及氯如何获得一个电子形成阴离子 Cl。然而,在现实中,钠把它的电子转让给氯的步骤是一步到位发生的!下面我们将说明这一点:
钠将其电子贡献给氯从而形成 Na+ 和 Cl。图片选自:Boundless Learning, CC BY-SA 4.0
在这里,我们可以看到一个电子是如何从钠转移到氯,从而形成离子 Na+ 和 Cl。一旦这些离子形成,它们之间就会有强烈的静电吸引,从而形成离子键。我们可以看到,离子键和共价键之间的主要区别因素之一就在于在离子键中,电子是完全 转移 了,而在共价键中,电子是共享的。
注意: 当你学到更多关于键的知识时,你会看到实际上,共价键和离子键之间的区别并不是非黑即白的,并且这两种类型的键实际上更像是一个共同光谱的两端。我们可以把纯粹离子键看作是具有完全不平等的电子共享,而纯粹的共价键具有完全相等的电子共享。然而在现实中,大多数化学键都存在于这两种情况之间。

描绘离子键

我们现在来看一下我们有哪些不同方法来绘制或描绘离子键。我们将继续探究最常见的离子化合物 -- 氯化钠,即著名的食盐。氯化钠中的单一离子键可以显示如下:
结构式表示的式钠阳离子 Na+ 和氯阴离子 Cl之间的离子键。请注意,这里没有一条单线连接这两个离子,因为单线表示的是共价键里的共享电子。在这里,电子已经完全被转移,并且这是纯粹的离子键。图片来自:WikispacesCC BY-SA 3.0
带正电荷的钠阳离子和带负电荷的氯阴离子由于互相的静电吸引而喜欢排列在一起。因为没有电子是共享的,所以我们不像描绘共价键那样用一条线表示离子键。我们只是认识到,由于离子上的电荷标志相反,吸引力是存在的。
但是, 上图只是一个模型。在自然界中,氯化钠并不存在于单一钠阳离子与单一氯阴离子结合的形式。正如我们前面提到的,氯化钠是食盐 -- 如果我们可以使用超级显微镜,可以在原子水平上观察食盐,我们会看到类似于以下结构的东西:
如果我们在原子水平上观察氯化钠晶体,我们会看到钠离子和氯离子在空间中均匀地相互间隔排列。这种有序稳定的结构是由于 Na+ 和 Cl 之间强烈的离子键的作用。图片选自:Introduction to Chemistry: General, Organic, and Biological, CC BY-NC-SA 3.0
从这张图中我们可以看到,由于它们之间共享的静电吸引,Na+ 和 Cl 离子自然而然地将它们自己在空间中排列在一起,。然后,离子被它们非常强大的离子键固定在原地。上述结构被称为晶格,氯化钠与大多数离子化合物一样,是一种结晶固体。在以后的课程中,你还会学习更多关于不同类型的固体的知识

共价与离子化合物:分子与化学式单位

现在我们已经讨论了共价键和离子键的基础知识,我们需要找出一些它们之间必要的区别。我们知道分子是一组由共价键连接在一起的原子团。然而,应当指出的是,分子这个词只能用于特指共价化合物。在离子化合物中,例如氯化钠,是没有单个的氯化钠分子的,因为实际上氯化钠是由多个钠离子和氯离子组成的连接在一起的大晶格 -- 正如我们在前面看到的那张图那样。因此,我们说氯化钠不能被称为分子,而应该被称为一个化学式单位。请记住,与单个分子不同的是,单个的化学式单位在自然界中基本不存在,我们只是依靠化学式单位来简化和方便使用和研究。
概念检查: 哪种类型的化合物是由分子组成的?-- 离子还是共价?

总结

所有的化学键都是由于静电吸引形成的。当原子通过化学键结合时,它们就会形成化合物 -- 由两个或两个以上原子组成的独特结构。化合物的基本成分可以用化学式来表示。化学式使用周期表中的元素符号来表示特定化合物中存在的元素类型,同时使用下标表示存在的每种类型的元素的数量。
化合物可以是共价化合物,也可以是离子化合物。在共价化合物中,原子形成由两个相邻原子核之间共享的电子对组成的共价键。共价化合物的一个例子是氨。氨的化学式为 NH3,它告诉我们,在一个单个的氨分子中,有一个氮原子和三个氢原子。共价化合物的结构可以通过空间填充模型和球棒模型来描述。
在离子化合物中,电子完全从一个原子转移到另一个原子,因此形成了带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子。相邻的阳离子和阴离子之间强烈的静电吸引被称为离子键。离子化合物中最常见的例子是氯化钠 NaCl,俗称食盐。与共价化合物不同,自然界没有离子化合物的分子。这是因为在本质上,氯化钠并不以单个单位存在,而是以多个 Na+ and Cl 离子在空间交替排列组成的晶格结构的形式存在。化学式 NaCl 强调的是这种化合物的一个化学式单位。

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