化学键

化学键（英语：Chemical Bond）是一种粒子间的结合模式，其中粒子可以是原子或离子。透过化学键，粒子可组成多原子的化学物质。键由两相反电荷间的电磁力引起，电荷可能来自电子和原子核，或由偶极子造成。化学键种类繁多，其能量大小、键长亦有所不同。在原子中，带负电、绕原子核运行的电子与核内带正电的质子互相吸引，而位于两原子核之间的电子则皆受两方吸引。因此，原子核和电子间最稳定的组态，是当电子位处两原子核间之时。这些电子使原子核能够彼此相吸，形成所谓的化学键。然而，化学键并不能减少个别粒子所构成的体积。由于电子的质量较小且具有物质波性质，它们相较于原子核而言占据了极大部分的体积，使原子核之间距离较远。一般而言，强化学键的形成伴随着原子间电子的共用或转移。分子、晶体、金属和双原子气体。化学键有强与弱之分。一般较强的化学键有离子键及金属键。分子内部共价键可以很强，而多原子分子之间共价键强度则与各原子的相互角度有关。化合物的化学键类型，也会影响其物理性质，例如：熔点、沸点等。在高分子中它作为分子内部的力出现。阳离子、阴离子通过静电作用形成的化学键称作离子键。两个原子间的电负性相差极大时，一般是金属与非金属，例如：氯与钠，若他们要结合，电负性大的氯会从电负性小的钠抢走一个电子，以符合八隅体。之后氯会以-1价的方式存在，而钠则以+1价的方式存在，两者再以库仑静电力因正负相吸而结合在一起。离子键可以延伸，理想的离子化合物中并无分子结构。然而实际上，由于离子间总有极化作用的发生，所以离子之间的电子云并不可能完全无重叠，因此离子化合物总是带有一部分共价性。离子键亦有强弱之分。其强弱影响该离子化合物的熔点、沸点和溶解性等性质。离子键越强，其熔点越高。离子半径越小或所带电荷越多，阴、阳离子间的作用就越强。例如钠离子 Na + {displaystyle {ce {Na+}}} 的微粒半径比钾离子 K + {displaystyle {ce {K+}}} 的微粒半径小，电荷密度大，则氯化钠 NaCl {displaystyle {ce {NaCl}}} 中的离子键较氯化钾 KCl {displaystyle {ce {KCl}}} 中的离子键强，而氯化钠的熔点比氯化钾的高。根据化合物中所含化学键类型的不同，把含有离子键的化合物称为离子化合物（ionic compound），碱类（如 KOH {displaystyle {{ce {KOH}}}} ）、大多数盐类（如 MgCl 2 {displaystyle {ce {MgCl2}}} ）（其中BeCl2，AlCl3为共价）、大多数金属氧化物（可理解为活泼金属氧化物）（如 CaO {displaystyle {ce {CaO}}} ）都是离子化合物。离子化合物中可能存在共价键，这与其定义并不矛盾（参看下文对共价化合物的定义），如 NH 4 Cl {displaystyle {ce {NH4Cl}}} 、 NaOH {displaystyle {ce {NaOH}}} 便是既具有共价键又具有离子键的离子化合物。原子间通过共用电子形成的化学键，叫做共价键。它通过两个电负度相近的原子，例如两个氧，互相共用其外围电子以符合八隅体的键结方式结合，因此也有人说这是非金属原子间的结合方式。而共价键有键角及方向的限制，因此不能随意延伸，也就是有分子结构。共价键广泛存在于气体之中，例如氢气、氯气、二氧化碳。有些物质如金刚石，则是由碳原子通过共价键（巨型共价结构）形成的。共价键又可分为非极性共价键与极性共价键，以及配位键。只含有共价键的化合物称为共价化合物（covalent compound），如 HCl {displaystyle {ce {HCl}}} （在溶液中会成为 H + {displaystyle {ce {H+}}} 及 Cl − {displaystyle {ce {Cl-}}} ）、 H 2 O {displaystyle {ce {H2O}}} 、 CO 2 {displaystyle {ce {CO2}}} 、 CH 4 {displaystyle {ce {CH4}}} 、 NH 3 {displaystyle {ce {NH3}}} 等。因此根据其定义，共价化合物中肯定不存在离子键。共价键键能强，但由于分子间作用力较弱，通常具有低熔沸点特性。极性共价键是在化合物中，不同种的原子形成的共价键，由于两个原子吸引电子的能力不同，共用电子对必然偏向吸引电子能力较强的原子一方，因而吸引电子能力较弱的原子一方相对的呈正电性。叫做极性共价键(polar covalent)，简称极性键。非极性共价键是在单质分子中，同种原子形成共价键，两个原子吸引电子的能力相同，共用电子对不偏向任何一个原子，因此成键的原子都不显电性。叫做非极性共价键(nonpolar covalent)，简称非极性键。金属键则是金属原子间的键结方式，金属阳离子透过与带负电的电子间的库仑静电力，金属原子间共用游走于空价轨域的电子海，而结合成稳定态，因此金属有很高的延展性，且有很高的熔点（汞除外），并无分子结构。在一般情况下，有键裂解分两种情况：均等分裂和不均等分裂，并因为过程的特性而有所不同。均等分裂中，两产物断开共价键后两者之间的电子平分。不均等分裂中，断裂后电子会偏好留在某一产物上。“键解离能”指的是能量的裂解化学键所需的能量。在生物化学打破大分子的过程（通过拆解其内部能量）的分解代谢。酶，其催化键裂解被称为裂合酶，而它们通过水解或氧化/还原，所以亦可称为水解酶和氧化还原酶。科学家认为“电子”是以一种称为费米子（Fermions）的型态存在于物质空间之中，电子在原子之中时是以不同能阶的原子轨域（Atomic Orbital）存在，氢原子光谱的实验就是电子在不同能量原子轨域间存在的证明，由此可更进一步的推广多电子原子的原子轨域，以及原子和原子形成分子的分子轨域理论（Molecular Orbital Theory）之理论模型，最后再利用量子化学中数学形式的条件限制，探讨与解释电子存在空间中的情况。由微观世界的眼光看来，分子所存在的空间即是其电子密度分布所占据的空间，化学家定义连结原子和原子成为分子的作用为“化学键”，以量子化学的观念看来，化学键的形成主因是由于原子轨域的相互重叠，使得原有的轨域能阶分布改变，因而形成能量较稳定的分子轨域，也因此最直接影响化学键的形成因素就是电子密度的重新分布。利用电子密度之分布可以找出两个相邻原子间电子密度极大值，其电子密度极大值的连线便是原子间化学键键结之路径，进一步的利用原子间电子密度极大值的等位面加以分别原子所占有的区域，可以界定出原子位于分子中所占据的空间大小。