化學溫習筆記：鍵合與結構
各位同學好呀！你有沒有想過，為什麼鑽石超級堅硬，但鉛筆裡的「鉛」（其實是石墨啊！）卻軟趴趴的？又或者為什麼鹽能溶於水，金屬湯匙卻不能？這些問題的答案，都藏在化學中最基礎的概念之一：化學鍵合以及它所形成的巨型結構之中。
在這份筆記中，我們會深入探討原子之間三種主要的「黏合」方式，以及這些「黏力」如何產生各種性質獨特的物質。如果聽起來有點複雜也不用擔心；我們會用簡單的例子和類比為大家一一拆解。我們開始吧！
首先……為什麼原子會鍵合？
想像一下原子就像派對上的人。有些人喜歡獨處，而另一些人則拼命尋找伴侶以感到更穩定。在原子世界裡，那些「人氣王」──即非常穩定的，就是惰性氣體（例如氦、氖、氬）。為什麼它們會如此穩定呢？
因為它們擁有已填滿的最外層電子殼。大多數原子都需要在外層電子殼擁有8個電子才能達到穩定。這就是著名的八隅體規則。
因此，其他原子會通過失去、獲得或共享電子，來達到那個神奇的8個外層電子數。這個失去、獲得或共享的過程，就是我們所說的化學鍵合！
三種主要化學鍵合類型
1. 離子鍵合：慷慨的電子大贈送
想像一下你多了一張不需要的演唱會門票，而你的朋友卻非常想要一張。你把票送給他！你們兩個都因此感到快樂（或者說「穩定」了）。這跟離子鍵合的情況完全一樣。
離子鍵合發生在金屬和非金屬之間。
- 金屬原子失去其最外層電子，以達到已填滿的內層電子殼。當它失去帶負電的電子時，它會變成帶正電荷的離子，稱為陽離子。
- 非金屬原子獲得這些電子以補滿其最外層電子殼。當它獲得帶負電的電子時，它會變成帶負電荷的離子，稱為陰離子。
這些帶相反電荷的離子（正陽離子和負陰離子）現在像小磁鐵一樣，彼此之間產生強烈的吸引力。這種強大的吸引力就是離子鍵。它也被稱為靜電引力。
如何繪畫離子化合物的電子圖（例如：氯化鈉，NaCl）：
1. 從原子開始： 繪畫一個鈉原子（Na），顯示其電子排佈（2,8,1），以及一個氯原子（Cl），顯示其電子排佈（2,8,7）。
2. 顯示電子轉移： 繪畫箭頭，顯示鈉原子最外層的一個電子轉移到氯原子的最外層電子殼。
3. 繪畫所形成的離子：
- 鈉原子失去了一個電子，所以它變成Na⁺離子。它的電子殼是（2,8）。繪畫時，需在其周圍加上方括號，並將電荷寫在方括號右上方：[Na]⁺
- 氯原子獲得了一個電子，所以它變成Cl⁻離子。它的電子殼是（2,8,8）。繪畫時，需在其周圍加上方括號，並將電荷寫在方括號右上方：[Cl]⁻（請使用不同的符號，例如「x」，來表示轉移過來的電子，以示其來源）。
例子：氧化鎂 (MgO)
鎂（2,8,2）將其兩個最外層電子給予氧（2,6）。這會形成Mg²⁺離子和O²⁻離子。
注意！常見錯誤：
繪畫離子化合物電子圖時，學生經常忘記：
1. 在最終形成的離子周圍加上方括號 [ ]。
2. 將電荷（例如 ⁺, ⁻, ²⁺）寫在方括號的右上方。
3. 確保化合物的總電荷為零（例如，對於氯化鎂，你需要一個Mg²⁺離子和兩個Cl⁻離子才能形成MgCl₂）。
重點回顧：離子鍵合
- 發生在金屬與非金屬之間。
- 涉及電子的轉移。
- 形成正陽離子和負陰離子。
- 離子由強大的靜電引力結合在一起。
2. 共價鍵合：有福同享的結合方式
如果兩個朋友都想玩同一個遊戲，但誰也不想放棄它怎麼辦？他們就一起分享！這就是共價鍵合。
共價鍵合發生在兩個（或以上）的非金屬原子之間。它們都「渴望電子」，所以誰也不能直接從對方那裡奪走電子。於是，它們會共享一對或多對電子，以達到穩定的八隅體結構。
共享的電子對受到兩邊原子核的吸引，形成一個強大的共價鍵，將原子結合在一起，形成一個分子。
共價鍵的種類：
- 單鍵： 共享一對電子（例如：H₂、Cl₂、CH₄）。
- 雙鍵： 共享兩對電子（例如：O₂、CO₂）。
- 三鍵： 共享三對電子（例如：N₂）。
如何繪畫共價分子的電子圖（例如：甲烷，CH₄）：
1. 繪畫外層電子殼： 繪畫中心原子碳（4個外層電子），以及四個圍繞它的氫原子（每個氫原子有1個外層電子）。
2. 共享電子： 將電子殼重疊，並將一個來自碳的電子和每個氫原子的一個電子放在重疊區域。這形成了四個單共價鍵。
3. 檢查八隅體規則： 現在，碳可以「數」到所有8個共享電子作為自己的，而每個氫可以「數」到2個共享電子（使其第一個電子殼填滿）。大家都穩定啦！
一個特殊情況：配位共價鍵
有時候，在一個共價鍵中，其中一個原子會提供全部兩個共享電子。這就是配位共價鍵。想像一下，就像你帶了遊戲機和遊戲去朋友家一起玩。你提供了所有東西，但你們都分享了樂趣。
例子1：銨離子 (NH₄⁺)
氨分子（NH₃）在氮原子上有一對未用於鍵合的電子（一對孤對電子）。一個氫離子（H⁺）沒有電子，它走過來。氮原子捐出其孤對電子，與H⁺離子形成一個新的共價鍵。整個結構現在帶正電荷。
例子2：水合氫離子 (H₃O⁺)
同樣地，水分子（H₂O）在氧原子上有兩對孤對電子。它可以捐出其中一對孤對電子，與H⁺離子形成H₃O⁺。
重點回顧：共價鍵合
- 發生在非金屬原子之間。
- 涉及電子的共享。
- 形成稱為分子的獨立單元。
- 可以是單鍵、雙鍵、三鍵或配位鍵。
3. 金屬鍵合：電子海洋
想像一下一排排整齊的籃球（即帶正電荷的金屬離子）。現在再想像一群孩子（即電子）在這些籃球之間自由地跑來跑去，同時把所有籃球固定在原位。這就是金屬鍵合的模型。
金屬鍵合存在於金屬中。金屬原子失去其最外層電子，形成一個由帶正電荷的金屬離子（陽離子）組成的晶格。這些電子不再束縛於任何單一原子；它們可以在整個金屬結構中自由移動。我們稱它們為離域電子。
金屬鍵是帶正電荷的金屬離子與周圍帶負電荷的「離域電子海」之間強大的靜電引力。這種獨特的結構解釋了金屬為何具有其特有的性質。
重點回顧：金屬鍵合
- 存在於金屬中。
- 由正金屬離子組成的巨型晶格。
- 周圍被「離域電子海」包圍。
- 通過正離子與負電子海之間的吸引力結合在一起。
從鍵合到巨型結構
這些鍵合方式的排列決定了物質的結構類型及其性質。你需要認識四種主要類型。
1. 巨型離子結構（或巨型離子晶格）
- 這是什麼？ 一種由正離子和負離子通過強大離子鍵結合，規律地、重複地排列形成的立體結構。例子：氯化鈉 (NaCl)、氯化銫 (CsCl)。
- 性質與原因：
- 高熔點及沸點： 需要巨大能量才能克服所有離子之間強大的靜電引力。
- 僅在熔融或水溶液狀態下導電： 在固態下，離子是固定不動的。當熔化或溶解在水中時，離子可以自由移動並傳導電荷。
- 易碎： 如果敲擊晶體，離子層會移動。正離子被迫靠近正離子，負離子被迫靠近負離子。它們會互相排斥，導致晶體碎裂。
2. 巨型金屬結構
- 這是什麼？ 由規律排列的正金屬離子在離域電子海中組成，並由強大金屬鍵結合的晶格。例子：銅、鐵、鎂。
- 性質與原因：
- 高熔點及沸點： 強大金屬鍵需要大量能量才能破壞。
- 良好的導電性及導熱性： 離域電子可以自由移動，在結構中傳導電荷（電力）或轉移動能（熱）。
- 具延展性及可塑性： 正離子層可以在不破壞金屬鍵的情況下滑動，因為離域電子仍在其中將所有東西結合在一起。這使得金屬可以被錘打成形（延展性），或被拉成線（可塑性）。
3. 簡單分子結構
- 這是什麼？ 由獨立、分開的分子組成。在每個分子內部，都有強大的共價鍵。但在分子之間，卻只有稱為范德華引力的弱引力。例子：碘 (I₂)、二氧化碳 (CO₂)、水 (H₂O)。
- 性質與原因：
- 低熔點及沸點： 只需少量能量即可克服分子之間微弱的范德華引力。你並沒有破壞分子內部強大的共價鍵。
- 不導電： 沒有自由移動的帶電粒子（沒有離子，也沒有離域電子）。
- 通常柔軟且具揮發性。
超級重點！ 對於簡單分子物質而言，熔點等性質取決於分子之間的力（弱），而不是分子內部的鍵（強）。這是一個非常常見的混淆點！
4. 巨型共價結構（或巨型分子結構）
- 這是什麼？ 由大量原子通過無數強大共價鍵結合在一起，形成一個龐大的網絡。不存在獨立的分子。例子：鑽石、石墨、石英（二氧化矽，SiO₂）。
- 性質與原因：
- 非常高熔點及沸點： 你必須破壞數百萬個強大共價鍵才能熔化該物質，這需要巨大的能量。
- 不溶於水。
- 通常不導電： 電子被牢固地束縛在共價鍵中，不能自由移動……但有一個著名的例外！
特殊案例：鑽石與石墨（兩者均為碳的同素異形體！）
鑽石： 每個碳原子以共價鍵與四個其他碳原子連接，形成一個堅固的四面體網絡。這使得鑽石異常堅硬，並具有非常高的熔點。它不導電。
石墨： 每個碳原子以共價鍵與三個其他碳原子連接，形成扁平的六角形層。每個碳原子的第四個外層電子是離域的，可以在層之間移動。
- 各層之間由弱范德華引力維繫，因此它們可以互相滑動。這使得石墨柔軟，並成為良好的潤滑劑。
- 離域電子的存在意味著石墨可以導電。這就是為什麼它被用作電極的原因！
你知道嗎？ 石英 (SiO₂) 是一種巨型共價結構，是沙的主要成分。當你在非常高的溫度下熔化沙子時，你就會得到玻璃！它的強度和高熔點歸因於其整個結構中強大的共價鍵。
總結與比較
這張表格非常適合溫習！它將我們所學的所有內容歸納在一起。
結構類型：巨型離子
粒子： 陽離子和陰離子
鍵合： 強靜電引力
熔點/沸點： 高
導電性： 僅在熔融/水溶液狀態下
例子： NaCl
結構類型：簡單分子
粒子： 分子
鍵合： 分子內部有強共價鍵，分子之間有弱范德華引力。
熔點/沸點： 低
導電性： 無
例子： CO₂，I₂
結構類型：巨型共價
粒子： 原子
鍵合： 強共價鍵網絡
熔點/沸點： 非常高
導電性： 無（石墨除外）
例子： 鑽石、石墨、SiO₂
結構類型：巨型金屬
粒子： 陽離子和離域電子
鍵合： 金屬鍵
熔點/沸點： 高
導電性： 有（固態及液態）
例子： Cu, Fe, Mg
今天的內容就到這裡啦！通過理解這四種結構，你就能夠預測和解釋幾乎所有你遇到的物質的性質。繼續練習繪畫電子圖，並將結構與性質聯繫起來。你一定做得到！