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原子成键的四种方式

大自然有那么几种把原子粘在一起的「配方」——给出、共享、汇集,或轻轻相依。每一种都造出一类不同的材料,认识了它们,你几乎能一眼读懂任何一种固体。

归根结底是电子的事

上一篇我们看到,每一个都是原子之间的拥抱。现在到了精彩的地方:拥抱不止一种。原子对它最外层的电子很挑剔——就是表面上、离核最远的那些电子——这些外层电子被安排的不同方式,给了我们四种截然不同的成键风格。你这辈子摸过的几乎每一种固体,都属于这四种之一,或是它们的混合。

有一个小小的念头能解开全部四种:有的原子贪吃电子,有的原子乐于给出电子。这种「贪吃」有个名字——电负性,它衡量一个原子对共享电子的拉扯有多强。当一个饿原子遇上一个慷慨原子,电子就被交了出去;当两个一样饿的原子相遇,谁都不肯松手,于是共享。把这场拔河记在心里,四种配方几乎就自己写出来了。

配方一——干脆送出去(离子键)

拿普通的食盐来说。它由钠(一种慷慨的金属)和氯(一种贪吃的非金属)构成。钠干脆把一个电子交给氯。这下钠少了一个电子,于是带正电;氯多了一个,于是带负电。异性相吸,正原子和负原子之间这股朴素的电拉力,就是离子键

离子键很强,所以盐的晶体又硬、又只有在高温下才熔化。但它有个出了名的弱点:把盐丢进水里就化了,因为水分子能钻进正负原子之间,把它们撬开。这种键很强,却不聪明——它只懂「正吸引负」,凡是能搅乱这一点的东西都能赢它。

配方二——公平共享(共价键)

现在想象两个一样饿的原子——谁都不肯交出电子。它们的解法是共享:各拿出一个电子,这对电子同时绕着两个原子核转,就像两个孩子死死攥着同一个玩具,谁也带不回家,可两人又都甘心一起握着它。这对被共享的电子粘住了两个原子,就是共价键

共价键可以强得吓人——钻石不过就是碳原子靠共价键连成的一张刚硬的网,它是我们已知最硬的天然材料。它有个标志性特征:这些键朝着特定方向伸出,像一条条按固定角度伸出的刚硬手臂,而不是朝四面八方均匀地拉。我们以后会看到,这种「有方向性」如何戏剧性地塑造一种材料。

配方三——全部汇成一池(金属键)

现在把一大群金属原子聚到一起,它们个个都有点慷慨。没有谁想把电子专门交给某个邻居,也没有谁想凑成一对整齐地共享。于是,每个原子都让自己的外层电子游荡出去,汇进一个公共的池子,可以在整块金属里自由漫游。原子变成了一个个正电核心,泡在共享的、流动的电子海里——这些核心与周围电子海之间的吸引,就是金属键

这片漫游的电子池有名到自己都有个称呼,叫电子海,它解释了金属的整个性格:能导电(电子自由流动)、会弯折而不是碎裂(电子海让核心彼此滑过)、还会闪闪发亮。我们下一篇会专门用一整篇来讲它,因为这个想法实在太漂亮了。

配方四——勉强相依(范德华键)

最后一种配方最温柔,乍一看甚至像是不可能的。拿一些没有电子可送、可共享、可汇集的原子——比如惰性气体,它们独处时心满意足。它们本该彻底无视彼此。可只要冷却得够厉害,连氩都会冻成固体。是什么抓住了它?

诀窍在于:原子的电子云一直在微微闪动,从不是完美均匀的。在某个转瞬即逝的瞬间,它会有一点偏斜——一侧略微偏负。这点小小的不均衡会推动邻居的电子云朝相反方向偏,于是两个闪烁着的「偏斜」彼此吸引。它很微弱、又不停重新洗牌,但真实存在。这一丝吸引的低语就是范德华键,它作用在所有原子之间——只是平时被那三种更强的键盖过去了。

我们怎么给「强」和「弱」标上数字?用键能——也就是上一篇里那道山谷的深度,打破一个键所需的代价。共价键和离子键的谷最深;金属键居中;范德华键很浅,常常弱上百倍。可弱并不等于不重要,下一篇讲水的文章会用一种你能尝到、能冻起来、还能浮在上面的方式向你证明这一点。