基本介紹
- 中文名：共價鍵
- 外文名：covalent bond
- 類別：化學鍵
- 本質：原子間的靜電作用
- 分類：σ鍵，π鍵，配位鍵等
歷史,早期歷史,近代史,主要特點,飽和性,方向性,化學性質,理論模型,路易斯理論,價鍵理論,軌道雜化理論,互斥理論,分子軌道理論,分類,按成鍵方式,按成鍵過程,電子偏向,描述,鍵參數,分子模型,
歷史
早期歷史
在古希臘，化學還沒有從自然哲學中分離的時代，原子論者對化學鍵有了最原始的構想，恩培多克勒（Empedocles）認為，世界由“氣、水、土、火”這四種元素組成，這四種元素在“愛”和“恨”的作用下分裂並以新的排列重新組合時，物質就發生了質的變化。這種作用力可以被看成是最早的化學鍵思想。
隨後，原子論者德謨克利特構想，原子與原子間，存在著一種“鉤子”，也可以說是粗糙的表面，以致它們在相互碰撞時黏在一起，構成了一個穩定的聚集體。德謨克利特對化學鍵的構想相比於之前的自然哲學家，是更加先進的，他剔除了此類構想中的唯心主義因素。
中世紀的J.R.格勞伯則提出了物質同類相親、異類相斥的思想。其後還出現了關於物質結合的親和力說，認為物質的微粒具有親和力，由此互相吸引而結合在一起。總之，人們關於化學鍵朦朧的認識，啟發了後來的化學家。
近代史
18世紀，燃素（phlogiston）的概念進入了化學，並為恩斯特·施塔爾（Ernst Stahl）、亨利·卡文迪許（Henry Cavendish）和約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）等先進的化學家所接受。當時，牛頓力學已經提出，他們希望把原子間的作用力和牛頓力學結合起來，給出經典物理學的解釋，但限於當時的條件，這無疑是無法完成的。
1916年，德國化學家阿爾布雷希特·科塞爾（A.Kossel）在考察大量事實後得出結論：任何元素的原子都要使最外層滿足8電子穩定結構，但科塞爾只解釋了離子化合物的形成過程，並沒有解釋共價鍵的形成。
“（原文）we shall denote by the termcovalencethe number of pairs of electrons which a given atom shares with its neighbors”（我們應該用“共價”一詞表示原子間通過共用電子對形成的作用力）
1924年，路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）提出波粒二象性的假說，建立了一個原子的數學模型，用來將電子描述為一個三維波形。在數學上不能夠同時得到位置和動量的精確值。
1926年，薛丁格提出量子力學的波動方程，它可以直接用來解釋化學鍵的“形成”和“斷裂”，這成為量子化學最初的開端。
1927年，沃爾特·海特勒（W.H.Heitler）和弗里茨·倫敦（F.London）用量子力學處理氫分子，用近似方法算出了氫分子體系的波函式，首次用量子力學方法解決共價鍵問題。價鍵理論在這一方法的推廣中誕生，他們研究共價鍵的方法就被稱為HL法。
1928年，恩利克·費米（Enrica Fermi）提出了一個基於泊松分布的單電子密度模型試圖解決原子結構問題。之後，道格拉斯·哈特里（Douglas Rayner Hartree）運用疊代法，將體系電子的哈密頓運算元分解為若干個單電子哈密頓運算元的簡單加和，進而將體系多電子波函式表示為單電子波函式的積，改進這一模型，提出哈特里方程。
1930年，哈特里的學生福克（Fock）與約翰·斯萊特（John Clarke Slater）完善了哈特里方程，稱為哈特里-福克方程（HF）。50年代初，斯萊特得到了HF的近似波函式：哈特里-福克-斯萊特方程（HFS）。1963年，赫爾曼（F.Hermann）和斯基爾曼（S.Skillman）把HFS套用於基態原子函式。
1950年，克萊蒙斯·羅瑟恩(C. C. J. Roothaan）進一步提出將方程中的分子軌道用組成分子的原子軌道線性展開，發展出了著名的RHF方程，1964年，計算機化學家恩里克·克萊門蒂（E.Clementi）發表了大量的RHF波函式，該方程以及後續的改進版已經成為現代處理量子化學問題的主要方法。
1940年，亨利·希吉維克（H.Sidgwick）和托馬斯·坡維爾（Thomas A.Powell）在總結實驗事實的基礎上提出了一種簡單的理論模型，用以預測簡單分子或離子的立體結構。這種理論模型後經羅納德·吉列斯比（R.J.Gillespie）和羅納德·尼霍爾姆（R.S.Nyholm）在20世紀50年代加以發展，定名為價層電子對互斥理論，簡稱VSEPR。VSEPR與軌道雜化理論相結合，可以半定量地推測分子的成鍵方式與分子結構。
1951年，福井謙一提出前線軌道理論，認為，分子中能量最高的分子軌道（HOMO）和沒有被電子占據的，能量最低的分子軌道（LUMO）是決定一個體系發生化學反應的關鍵，其他能量的分子軌道對於化學反應雖然有影響但是影響很小，可以暫時忽略。HOMO和LUMO便是所謂前線軌道。
1965年，美國化學家羅伯·伍德沃德（Rober B.Woodward）與霍夫曼參照福井謙一的前線軌道理論，提出了分子軌道對稱守恆原理。分子軌道理論得到了新的發展。
主要特點
飽和性
在共價鍵的形成過程中，因為每個原子所能提供的未成對電子數是一定的，一個原子的一個未成對電子與其他原子的未成對電子配對後，就不能再與其它電子配對，即，每個原子能形成的共價鍵總數是一定的，這就是共價鍵的飽和性。
共價鍵的飽和性決定了各種原子形成分子時相互結合的數量關係，是定比定律（law of definite proportion）的內在原因之一。
方向性
除s軌道是球形的以外，其它原子軌道都有其固定的延展方向，所以共價鍵在形成時，軌道重疊也有固定的方向，共價鍵也有它的方向性，共價鍵的方向決定著分子的構形。
影響共價鍵的方向性的因素為軌道伸展方向。
化學性質
化學變化的本質是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，化學反應中，共價鍵存在兩種斷裂方式，在化學反應尤其是有機化學中有重要影響。
均裂與自由基反應
異裂與離子型反應
由共價鍵異裂引發的反應稱離子型反應，其下又可分為兩種
·親電反應（electrophilic reaction）
·親核反應（nucleophilic reaction）
理論模型
路易斯理論
路易斯理論，又稱“八隅體規則”、“電子配對理論”是最早提出的，具有劃時代意義的共價鍵理論，它沒有量子力學基礎，但因為簡單易懂，也能解釋大部分共價鍵的形成，至今依然出現在中學課本里。
共用電子對理論有以下幾點：
1、原子最外層達到8電子時是穩定結構，化合物中的所有原子的最外層價電子數必須為8（氫為2）；
2、原子間形成共價鍵時，可通過共用電子的方式使最外層達到8（2）電子穩定結構。
路易斯理論的電子配對思想為價鍵理論的發展奠定了基礎。值得注意的是，路易斯理論尚不完善，它無法說明電子配對的原因和實質；此外，不符合“八隅體規則”的化合物也有很多，例如：三氟化硼（6電子）、五氯化磷（10電子）、六氟化硫（12電子）。
價鍵理論
價鍵理論是基於路易斯理論電子配對思想發展起來的共價鍵理論。價鍵理論將套用量子力學解決氫分子問題的成果推廣到其他共價化合物中，成功解釋了許多分子的結構問題。
海特勒-倫敦法
沃爾特·海特勒（W.H.Heitler）和弗里茨·倫敦（F.London）在運用量子力學方法處理氫氣分子的過程中，得到了分子能量E和核間距R之間的關係曲線，發現：若兩個氫原子自旋方向相反，隨著軌道的重疊（波函式相加）會出現一個機率密度較大的區域，氫原子將在系統能量最低核間距處成鍵；若兩個氫原子自旋方向相同，則相減的波函式單調遞減，系統能量無限趨近E=0，沒有最低點，無法成健。因此，價鍵理論通過對氫分子的研究闡明了電子配對的內在原因和共價鍵的本質，價鍵理論就在HL的推廣中誕生。
軌道雜化理論
價鍵理論在解釋分子中各原子分布情況時，萊納斯·鮑林（L.Pauling）提出了軌道雜化理論。理論要點有
1、中心原子能量相近的不同軌道在外界的影響下會發生雜化，形成新的軌道，稱雜化原子軌道，簡稱雜化軌道；
2、雜化軌道在角度分布上，比單純的原子軌道更為集中，因而重疊程度也更大，更加利於成鍵；
3、參加雜化的原子軌道數目與形成的雜化軌道數目相等，不同類型的雜化軌道，其空間取向不同。
雜化類型 | 雜化軌道夾角 | 空間取向 |
sp^1 | 180 | 直線型 |
sp^2 | 120 | 平面正三角形 |
sp^3 | 109.28 | 正四面體 |
sp^3d (dsp^3) | 90 120 | 三角雙錐 |
sp^3d^2 (d^2sp^3) | 90 | 正八面體 |
註：此為雜化軌道的空間取向，不是化合物的結構
在化合物中，這些軌道可能被孤對電子或單電子填充，例如，N原子進行sp2雜化形成的NO2分子中，有一個單電子，NO2的空間結構是折線形（正三角形的一個頂點是單電子，電子是“看不見”的）。
互斥理論
1、共價分子中，中心原子周圍電子對排布的幾何形狀，主要決定於中心原子的價電子層中的電子對數（包括成鍵電子對和孤對電子）。這些電子的位置傾向於分離的儘可能遠一些，使彼此受到的排斥力最小；
2、電子層中電子對相互排斥作用的大小，取決於電子對間的相互角度和電子對的成鍵情況。相距角度小，排斥力大。成鍵電子對因受兩個原子吸引，電子云較為緊縮，對其相鄰電子對的斥力小於僅受一個原子核吸引的孤對電子對其相鄰電子對的斥力。即，電子對間斥力大小順序為：孤對電子-孤對電子>孤對電子-成鍵電子對>成鍵電子對-成鍵電子對；
3、分子中的雙鍵、三鍵當作單鍵處理；
推測分子構形
設中心原子為A，其餘n個配位原子均用B表示，m對孤對電子用E表示，則該物質可表示為ABnEm。令z=n+m，B和E都用Y表示，則該物質可表示為AYz，這裡的Y就表示中心原子的價電子層中的電子對，z就表示中心原子的價電子層中的電子對數。我們可根據如下公式推測分子構型：
n由化學式即可看出
m=1/2（中心原子價電子數-配位原子提供的電子總數±離子電荷數）
z=n+m
Z=n+m | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
結構形式 | 直線型 | 平面三角形 | 四面體 | 三角雙錐 | 八面體 |
註：更詳細的表參見wikipedia,VSEPR theory（擴展閱讀）
分子軌道理論
分子軌道理論是比價鍵理論更精確的方法，其理論要點有
1、分子中的電子不屬於某個原子軌道，而屬於整個分子；
2、分子軌道由原子軌道線性組合而成，分子軌道數目等於組成分子軌道的原子軌道數目，其中些軌道能量降低，成為“成鍵軌道”另一些能量升高，成為“反鍵軌道”，還有一些能量不變，稱“非鍵軌道”；
3、原子軌道線上性組合時，遵守“對稱性匹配原則”、“能量相近原則”、“最大重疊原則”；
分子軌道理論能解釋一些價鍵理論無法解釋的現象，比如氧分子的順磁性。
氧原子的外層電子數為6，這六個電子中的四個組成兩對，其它兩個單獨存在。
每個氧原子有六個外層電子這兩個單獨的電子與另一個原子中相應的單獨的電子結合組成兩個新的共用的電子對，由此達到電子飽和的狀態。
需要說明的是這裡所描述的氧分子的模型是一個簡化了的模型，實際上的氧分子要比這裡描述的要複雜得多，因為這6個外層原子分布在不同的軌道上，因此它們不能形成這樣簡單的電子對。實際上的氧分子有三對共用的電子對和兩個單獨的電子。
氧分子O2的模型
氧分子O2的模型分類
共價鍵從不同的角度可以進行不同的分類，每一種分類都包括了所有的共價鍵（只是分類角度不同）。
按成鍵方式
σ鍵（sigma bond）
σ鍵
σ鍵π鍵（pi bond）
成鍵原子的未雜化p軌道，通過平行、側面重疊而形成的共價鍵，叫做π鍵，可簡記為“肩並肩”（見右圖）。 π鍵與σ鍵不同，它的成鍵軌道必須是未成對的p軌道。π鍵性質各異，有兩中心，兩電子的定域鍵，也可以是共軛Π鍵和反饋Π鍵。兩個原子間可以形成最多2條π鍵，例如，碳碳雙鍵中，存在一條σ鍵，一條π鍵，而碳碳三鍵中，存在一條σ鍵，兩條π鍵。
π鍵
π鍵π鍵中的π電子可以吸收紫外線並被激發，所以，含有π鍵的化合物有抵禦紫外線的功能，防曬霜正是利用了這個原理防護紫外線對人的傷害。共軛π鍵具有特殊的穩定性，例如苯環中存在6中心6電子的大π鍵，顯現出芳香性，不易發生加成和氧化反應，而易發生親電取代，與苯環有類似鍵型的化合物包括部分雜環化合物、稠環烴和其他烴類，化學家埃里希·休克爾通過分子軌道計算得出了環烯烴芳香性判定的休克爾規則（亦名4n+2規則），其它常見的非苯芳烴包括薁、[18]輪烯等；而石墨的每一層都有一個無窮大的π鍵，電子在這個超大π鍵中可以自由移動，類似於金屬鍵，這也是石墨可以橫嚮導電的原因。
苯分子中的大π鍵
苯分子中的大π鍵δ鍵（delta bond）
由兩個d軌道四重交蓋而形成的共價鍵稱為δ鍵，可簡記為“面對面”（見下圖）。
δ鍵
δ鍵δ鍵只有兩個節面（電子云密度為零的平面）。從鍵軸看去，δ鍵的軌道對稱性與d軌道的沒有區別，而希臘字母δ也正來源於d軌道。
以上三種化學鍵經過組合，可以形成各種不同的鍵型，例如，一個σ鍵和兩個π鍵可以組成一個三鍵，但有證據表明雙原子間的共價鍵最多不能超過六條。
共價鍵是電子云的重疊，所以共價鍵最本質的分類方式就是它們的重疊方式。現在已知有3種重疊方式，分別稱作：
按成鍵過程
1、一般共價鍵
一般共價鍵有時也稱“正常共價鍵”，是為了和“配位共價鍵”進行區分時使用的概念，指成鍵時兩個原子各自提供一個未成對電子形成的共價鍵。
2、配位共價鍵（coordinate covalent bond）
配位共價鍵簡稱“配位鍵”是指兩原子的成鍵電子全部由一個原子提供所形成的共價鍵，其中，提供所有成鍵電子的稱“配位體（簡稱配體）”、提供空軌道接納電子的稱“受體”。常見的配體有：氨氣（氮原子）、一氧化碳（碳原子）、氰根離子（碳原子）、水（氧原子）、氫氧根（氧原子）；受體是多種多樣的：有氫離子、以三氟化硼（硼原子）為代表的缺電子化合物、還有大量過渡金屬元素。對配位化合物的研究已經發展為一門專門的學科，配位化學。
配位鍵是一種特殊的共價鍵，它的特點在於共用的一對電子出自同一原子。形成配位鍵的條件是，一個原子有孤電子對，而另一個原子有空軌道。
中心離子：在配合物中，提供空軌道的一方稱為中心離子
配體：在配合物中，提供孤對電子的一方稱為配體
| 分類 | 化學鍵 |
|---|---|
共價鍵 | σ鍵：三中心兩電子鍵（香蕉鍵）·三中心四電子鍵（氫鍵、雙氫鍵、抓氫鍵）·四中心兩電子鍵 |
氫鍵 | |
非共價鍵 | |
其他 |
2.1配位共價鍵與一般共價鍵的異同
配位共價鍵與一般共價鍵的區別只體現在成鍵過程上，它們的鍵參數是相同的，例如，銨根離子的氮氫鍵中，有三條是一般共價鍵，一條是配位共價鍵，但這四條鍵完全等價，銨根離子也是完全對稱的正四面體形。在書寫時，一般共價鍵使用符號“—”；配位共價鍵使用符號“→”箭頭從配體指向受體。
電子偏向
1、極性共價鍵（polar bond）
在化合物分子中，不同種原子形成的共價鍵，由於兩個原子吸引電子的能力不同，電子云偏向吸引電子能力較強的原子一方，因而吸引電子能力較弱的原子一方相對的顯正電性。這樣的共價鍵叫做極性共價鍵，簡稱極性鍵。形成共價鍵時，由於電子云的偏離程度不同，極性鍵又有“強極性鍵”和“弱極性鍵”之分，但通常兩個不同原子間的成鍵就是極性鍵。共價鍵的極性可用鍵矩進行判斷。共價分子的極性等於分子中所有共價鍵偶極矩的矢量和，所以，由極性共價鍵組成的分子可以是極性分子（氯化氫）也可以是非極性分子（二氧化碳）。
極性鍵,標&amp
極性鍵,標&amp2、非極性共價鍵（non-polar bond）
由同種元素的原子間形成的共價鍵，叫做非極性共價鍵。同種原子吸引共用電子對的能力相等，成鍵電子對勻稱地分布在兩核之間，不偏向任何一個原子，成鍵的原子都不顯電性。非極性共價鍵存在於單質中，也存在於某些化合物中，完全由非極性鍵構成的分子一定是非極性分子（但有的非極性分子中含有極性鍵）。
描述
鍵參數
1、鍵長（bond length）
鍵長指兩個成鍵原子的平衡核間距離，是了解分子結構的基本構型參數，也是了解化學鍵強弱和性質的參數。 對於由相同的A和B兩個原子組成的化學鍵，鍵長值小，鍵強； 鍵的數目多，鍵長值小。 在實際的分子中，由於受共軛效應、空間阻礙效應和相鄰基團電負性的影響，同一種化學鍵鍵長還有一定差異。 鍵長的測定主要是通過分子光譜和熱化學手段。下表給出常見共價鍵的鍵長（pm）數據取自《化學-物質結構與性質（選修）》（2007年）。
共價鍵 | 鍵長 | 共價鍵 | 鍵長 | 共價鍵 | 鍵長 | 共價鍵 | 鍵長 |
H-H | 74 | H-F | 92 | H-Cl | 127 | H-Br | 141 |
H-I | 161 | C-H | 109 | C-C | 154 | C-Si | 186 |
C-N | 147 | C-O | 143 | C-P | 187 | C-S | 181 |
C-F | 133 | C-Cl | 177 | C-Br | 194 | C-I | 213 |
N-H | 101 | N-N | 146 | N-P | 177 | N-O | 144 |
N-F | 139 | N-Cl | 191 | N-Br | 214 | N-I | 222 |
O-H | 101 | O-P | 160 | O-S | 151 | O-F | 142 |
O-Cl | 164 | O-Br | 172 | O-I | 194 | Si-H | 148 |
Si-Si | 234 | Si-O | 161 | SI-S | 210 | Si-F | 156 |
Si-Cl | 204 | Si-Br | 216 | Si-I | 240 | P-H | 142 |
P-Si | 227 | P-P | 221 | P-F | 156 | P-Br | 222 |
P-I | 243 | S-H | 134 | S-F | 158 | S-Cl | 201 |
S-Br | 225 | S-I | 234 | F-F | 143 | Cl-Cl | 199 |
Br-Br | 228 | I-I | 266 | C=C | 134 | C=N | 127 |
C=O | 123 | N=N | 122 | N=O | 120 | O=O | 121 |
C≡C | 121 | C≡N | 115 | N≡N | 110 |
2、鍵能（bond energy）
下表給出常見共價鍵的鍵能（kJ/mol）數據取自《化學-物質結構與性質（選修）》（2007年）。
共價鍵 | 鍵能 | 共價鍵 | 鍵能 | 共價鍵 | 鍵能 | 共價鍵 | 鍵能 |
H-H | 436 | H-F | 565 | H-Cl | 431 | H-Br | 363 |
H-I | 297 | C-H | 413 | C-C | 347 | C-Si | 301 |
C-N | 305 | C-O | 358 | C-P | 264 | C-S | 259 |
C-F | 453 | C-Cl | 339 | C-Br | 276 | C-I | 216 |
N-H | 391 | N-N | 160 | N-P | 209 | N-O | 201 |
N-F | 272 | N-Cl | 200 | N-Br | 243 | N-I | 159 |
O-H | 467 | O-P | 351 | O-S | 265 | O-F | 190 |
O-Cl | 203 | O-Br | 237.6 | O-I | 不詳 | Si-H | 323 |
Si-Si | 226 | Si-O | 368 | Si-S | 226 | Si-F | 565 |
Si-Cl | 381 | Si-Br | 213 | Si-I | 不詳 | P-H | 320 |
P-Si | 310 | P-P | 200 | P-F | 490 | P-Br | 272 |
P-I | 184 | S-H | 347 | S-F | 327 | S-Cl | 271 |
S-Br | 218 | S-I | 170 | F-F | 159 | Cl-Cl | 243 |
Br-Br | 193 | I-I | 151 | C=C | 614 | C=N | 615 |
C=O | 745(799) | N=N | 418 | N=O | 607 | O=O | 498 |
C≡C | 839 | C≡N | 891 | N≡N | 945 |
3、鍵角（bond angle）
鍵角即兩共價鍵的夾角，由於共價鍵的方向性，共價化合物的鍵角是一定的，但組成相似的化合物未必有相同的鍵角，孤對電子對成鍵電子有較大的排斥作用，可導致鍵角變小。
4、鍵級（bond order）
鍵級是分子軌道提出的一個概念，其定義是成鍵電子與反鍵電子之差的一半，鍵級可以描述共價鍵的穩定性，鍵級越大，共價鍵越穩定。
5、鍵偶極矩（bond dipole moment）
鍵偶極距簡稱“鍵矩”，概念與力矩類似，可以描述共價鍵的極性。鍵矩的定義為：μ=q·l
式中μ為鍵矩（C·m），l為鍵長，q為電荷量
鍵矩是矢量，由電負性弱的一端指向電負性強的一端，即從正到負。鍵矩也可以由實驗測得
分子模型
相比於鍵參數對共價鍵的描述，各種模型的描述顯得更加直觀。下表給出在分子模型中常用的顏色和對應元素。
元素 | 氧 | 碳 | 氮 | 硫 | 氫 | 碘 | 氟 | 氯 | 溴 |
用色 | 紅 | 灰 | 藍 | 黃 | 白 | 紫 | 黃綠 | 綠 | 橙 |
註：上表只是給出了常用的元素和對應顏色，與實際情況存在著一定的出入。
球棍模型（Ball-and-stick models）
球棍模型又稱“空間填充模型”，是一種用來表現化學分子的三維空間分布的分子模型。在球棍模型中，“棍”代表共價鍵，“球”代表成鍵原子。球棍模型能表示分子的鍵角以及成鍵原子的半徑。
甲烷的球棍模型(左)與比例填充模型
甲烷的球棍模型(左)與比例填充模型比例填充模型（Space-filling models）
比例填充模型與球棍模型類似，用來表現分子三維空間分布的分子模型。是球棒模型的進一步發展，可顯示更為真實的分子外型。但很難從模型中看見化合物的鍵角。
存在範圍
1.非金屬單質
2.共價化合物
3.某些離子化合物
