成键与内聚
共价键
/ koh-VAY-lent bond /
想象两个孩子各有一只手套,又都想暖手。他们不去抢手套,而是手拉手一起分享。原子也能做类似的事:不是一方把电子干脆送出去,而是两个原子把各自的电子放进一个共享的水池,这池子就坐落在它们之间。共价键就是这种合伙关系——原子靠共享一对或多对电子而结合在一起。
这些共享的电子大部分时间待在两个原子核之间的区域,由于每一对带负电的电子同时被两个带正电的原子核吸引,它就像一种胶水,把原子钉在一个舒适的距离上。关键在于,这片共享的电子云坐落在两原子之间一条确定的连线上,所以共价键指向特定的方向,并以固定的角度相交。正是这种方向性,让共价结合的材料搭出疏朗而坚挺的骨架,而不只是尽可能挤得密实。
共价键之所以重要,是因为它支撑着整个生命的化学,以及我们身边大多数分子——从水、氧气到塑料和DNA——还有像金刚石这样超硬的固体。一个诚实的提醒:纯粹的共价共享只发生在完全相同的原子之间;当两个搭档不同时,一方会比另一方更用力地拉拽共享电子,于是键变得偏向一边——一部分是共价、一部分是离子。真实的键处在一条连续滑动的标尺上,而非两个干净的盒子里。
在金刚石里,每个碳原子都与四个近邻各共享一对电子,这四根键朝四面体的四个角张开,角度始终相同。由此织成的刚硬、彼此完全连通的网络,正是金刚石成为我们所知最硬材料的原因。
金刚石中每个碳原子沿固定方向与四个近邻共享电子。
共享一对电子是单键;原子也可以共享两对或三对,形成更强、更短的双键和三键。共享的电子对越多,连接通常越紧、越难断开。
另见