基礎化學(二)-2-3共價鍵=te

2-3 共價鍵 班級： 座號： 姓名：

一、共價鍵的形成 (一) 共價鍵的形成： 1. 共價結合：非金屬原子在結合成分子時，藉由「共用價電子」，形成八隅體結構。 2. 鍵結引力：兩個原子結合時，藉由共用電子對，使各原子均具有鈍氣的電子排列方式；帶 負電的共用價電子對同時吸引兩帶正電的原子核，而使原子結合，故此結合力 稱為共價鍵。 3. 氫分子共價鍵的形成： (1) 能量觀點：當兩個基態氫原子由遠處漸漸互相接近至一適當距離時，此兩個氫原子藉共 價鍵而形成氫分子。中氫分子形成的位能變化圖如下，其能量最低處，代表 氫分子形成，可以看出 H－H 的鍵長為 74 pm，而鍵能為 436 kJ/mol。 ▲氫分子形成過程的位能與原子核間距離關係圖 (2) 軌域重疊觀點：兩個氫原子緩慢接近時，便會發生明顯的軌域重疊，距離愈近，重疊部 分愈多，結合的分子也愈趨穩定。 4. 以 Cl2 為例： (1) 氯為 7A 族元素，兩個氯原子各提供 1 個價電子共用（如下圖），使兩個氯原子均能 形成八隅體。   或 Cl－Cl 各提供 1 個 價電子來共用 形成八隅體 形成共價鍵 （路易斯結構式） 結構式 (2) 鍵結電子對(bonding pair)：簡寫為 bp，兩原子共用的電子對，也可稱為「共用電子對」， 每一對鍵結電子對常用「一條短線（－）」來代表。 (3) 孤電子對(lone pair)：簡寫為 lp，未共用的價電子對，亦可稱為「未鍵結電子對」。 5. 共價鍵具有方向性：利用共價鍵結合的非金屬原子，須由特定方向相互接近才能形成鍵結， 因此共價鍵具有方向性。 6. 共價鍵鍵能：150～400 kJ/mol。

7. 共價鍵形成之物質： 共價鍵形成的物質 分子物質：分子間引力較弱，熔、沸點較低 網狀固體：1. 為連續性延伸的結構，故熔點極高，常溫下均為固 態。 2. 例如：鑽石、石墨（C）、矽（Si）、碳化矽（SiC）、 石英（SiO2）、硼（B）。 【範例 1】 氫分子形成的位能變化圖 右圖為氫及氯原子結合為氫及氯分子的位能變化圖，下列敘述何者正確？ (A)○1 為 H₂，○2 為 Cl₂ (B)氫原子的半徑為 b 2 (C)氫分子的鍵長為 b (D)氫分子的鍵能為 436 kJ/mol (E) 2Cl(g) → Cl2(g) 的H 為 243 kJ。 答 (A)(C)(D) 解 (A) H 在第一週期，Cl 在第二週期，H 的原子半徑小於 Cl，所以 H2 的鍵長（b）小於 Cl2 （d）。故○1 為 H₂，○2 為 Cl₂。(B) 大於 b 2。(E) H＝－243 kJ。 [類題 1-1] 已知同族元素的原子半徑隨原子序之增加而變大，則下列分子的鍵長，何者最短？ (A) F2 (B) Cl2 (C) Br2 (D) I2。 答 (A) F 之原子半徑最小，故 F 原子間的距離最短，即鍵長最短。 [類題 1-2] 右圖表示氧分子的位能隨其原子間距離變化的關係圖。下列對於 O2 分子之敘述，何者正確？ (A) O2 的鍵長約等於 ¯¯AB (B) O2 的解離能約等於 ¯¯CD (C) O－O 間距離為 ¯¯AC 時，氧原子間的引力小於斥力 (D) O－O 間距離為 ¯¯AB 時，氧原子間的引力恰等於斥力 (E) O－O 間距離小於 ¯¯AC 時，氧原子間的斥力隨距離之減小而增加。 【日大】 答 (B)(E) (A) 鍵長等於 ¯¯AC。 (C) 引力＝斥力 (D) 引力＜斥力

(二) 鍵級（bond order）：又稱鍵數、鍵序。 1. 依共用電子對數目區分為： 分 類 符 號 說 明 範 例 單鍵 － 共用 1 對價電子 Cl2 多鍵 雙鍵 ＝ 共用 2 對價電子 O2 參鍵 ≡ 共用 3 對價電子 N2 2. 依電子對提供情形區分： 分 類 一般共價鍵 配位共價鍵 說 明 兩原子平均提供電子形成共用電子對， 則所形成的化學鍵稱為一般共價鍵。 參與鍵結的電子僅由某一原子單方面供 給，所形成之化學鍵稱為配位共價鍵。 範 例 氫分子的鍵結為 H‧＋ ×H → H－H 𝑁𝐻₃+ 𝐻+_→ 𝑁𝐻4+ 3. 極性共價鍵與非極性共價鍵：(參考資料) 分 類 極性共價鍵 非極性共價鍵 說 明 兩個不同的原子結合時，由於吸引鍵結電子對的能 力不同，其中某一個原子將電子對拉得比較靠近， 因此略帶負電荷（－ ），另外一個原子則略帶正電 荷（＋ ），此種共價鍵稱為極性共價鍵 兩個相同原子結合時，鍵結電 子對被相同的原子均等共 用，此種共價鍵稱為非極性共 價鍵 範 例 H－H 4. 常見元素的鍵結量： (1) 說明：氮為 5A 族元素，含有 5 個價電子，須再接受 3 個電子才能形成八隅體，故其 鍵結量為 3。其餘元素依此類推。   (2) 鍵結量：

族數 IA IIA IIIA IVA

鍵結量 Li－ －Be－ 、 、 _{、 、} ＝C＝、－C≡ 特例： CO  ：C≡O： 族數 VA VIA VIIA 鍵結量 、 、 、 、 、

(3) 利用鍵結量，可輔助畫出物質的結構式，尤其是第 2 章接著要學的有機化合物！ 例： 醋酸（CH3COOH）分子的結構式： 鍵結量   C：4 H：1 O：2  5. 第二列元素形成的化合物實例： 元 素 Li Be B C N O F 價電子數 1 2 3 4 5 6 7 鍵結量 1 2 3 4 3 2 1 化合物 Li－H H－Be－H LiH BeH2 BH3 CH4 NH3 H2O HF 中心原子 bp 1 2 3 4 3 2 1 lp 0 0 0 0 1 2 3 6. 路易斯結構式的畫法： 步 驟 範 例 HF NH3 HCN CO32 － H2O2 (1) 算出價電子總數 1＋7＝8 5＋1×3＝8 1＋4＋5＝10 4＋6×3＋2＝24 1×2＋6×2＝14 (2) 畫出中心原子（通 常是中間或第一 個原子）、外圍 原子，並在中心 原子與外圍原子 間置一單鍵 (3) 先將電子給予外 圍原子，使其滿 足八隅體（H 僅 2 個） (4) 再將剩餘電子給 中心原子。若中 心原子不能滿足 八隅體，則把外 圍 原 子 的 1 或 2 對電子給中心 原 子 ， 形 成 雙 鍵、參鍵等多鍵 改試多鍵 改試多鍵 ※○1 _{結構式無法說明分子或離子的形狀。例：CH4}結構式看起來是平面形，但事實上是立體結構。 結構式 球-棍模型

○2 _{路易斯結構式可能有多種畫法，因此必須配合實驗才知何者正確。} ○3 _{磷的結構式為} ，硫的結構式為 。 7. 八隅體規則的例外： 1. 2A、3A 族的中心原子通常會形成缺少價電子的化 合物。例如：BeCl2、BF3、BH3 2. 具有奇數個價電子的分子。例如：NO、NO2 3. 中心原子為第三週期（含）以後之 5A、6A、7A 族 元素所形成的化合物，可以超過八隅體。例如： PCl5、SF6 【範例 2】 路易斯結構式 就下列分子或離子，回答(1) ～ (3)題： ○1 _{HCl ○}2 _CH4 ○3 _{H2O ○}4 _NH3 ○5 _BH4－ ○6 _SO32－ ○7 _C2H4 (1) 寫出各粒子的路易斯結構式。 (2) 哪一個粒子具有最多的孤對電子？ (3) 哪一個粒子具有雙鍵？ 答 (1)見解析 (2) SO32 － (3) C2H4 解 (1) ○1 ○2 ○3 ○4 ○5 ○6 ○7 (2) SO32 － 有 10 對孤對電子。 [類題 2] 下列分子或離子的中心原子，何者具有孤對電子？ (A) SO42 － (B) PH3 (C) H2S (D) ClO3 － (E) NO3 － 。 答 (B)(C)(D) (A) 。(B) 。(C) 。(D) 。(E) 。 【範例 3】 八隅體 下列哪些分子的結構，其每個原子（不討論氫原子）均符合八隅體法則？ (A) NO (B) CO (C) BeH2 (D) N2H4 (E) SF6。

答 (B)(D)

解 (A)價電子總數為奇數，不合。(B) 。(C) H－Be－H，Be 為四隅體。

[類題 3] 下列哪些分子含有未成對電子？ (A) SO3 (B) H2O (C) NO2 (D) NO (E) N2O4。 答 (C)(D) 價電子總數為奇數者，具有未成對電子。(C) 。(D) 。(E) 。 二、共 振 (一) 內容：一個分子或離子具有兩種或兩種以上的路易斯結構式者，稱為具有共振結構，以「 」 表示共振。 (二) 結構：該粒子的實際結構為此數種共振結構之平均混合體，稱為「共振體」、「共振混合體」。 (三) 證據：實驗發現，共振體的鍵能及鍵長均相同，故單一結構式並不能代表實際的結構、鍵長、 鍵級。 (四) 鍵級：鍵級＝共振處的總鍵數 共振處的數目 ；以表中 SO2 為例，其鍵級＝ 3 2＝1 1 2 (五) 性質：共振導致穩定性的增加；且共振結構數目愈多，所降低的能量愈多，該物質愈穩定。 ※ 共振並不是表示電子從一種結構跳到另一種結構，共振也不是平衡！ 範 例 共振體及簡單表示法 鍵 級 O3 簡化為 ───→ 11 2 鍵 SO2 簡化為 ───→ 11 2 鍵 CO32– ───→ 簡化為 1 1 3 鍵 ※ 常見含有共振結構的物質：

1. AOx，x2，且有 1 個雙鍵，例如：SO2、SO3、CO32

－ 、NO3 － 、NO2、O3 等。 2. 石墨、苯。（參見 2-4、3-3 節） 【範例 4】 共 振 下列分子或離子，何者有共振結構？ (A) C2H4 (B) SO3 (C) CO2 (D) O2 (E) NO3 － 。 答 (B)(E) 解 (B) 。(E) 。 [類題 4] CO32 － 含有共振結構，C、O 間的鍵級為何？ 答 1 1 3 ，C、O 間鍵級為 4_3＝1 1_3（鍵）

三、共價物質 (一) 分類：藉共價鍵結合的物質分為分子物質、網狀固體及多原子離子。 (二) 網狀固體：非金屬原子間藉由共價鍵，形成在一度、二度或三度空間無限延伸的固體；形成 的固體又稱共價網狀固體。 (三) 分子：原子相互以共價鍵結合所形成的分子，又可稱為共價分子。 1. 分子類型： 分子類型 內容 共價元素分子 由相同元素組成，如氦(He)、氫(H2)、 白磷(P4)、硫(S8)等。 共價化合物分子 (共價分子化合物) 由不同元素組成，甲烷(CH4)、四氯化碳 (CCl4) 2. 性質： (1) 分子間引力較弱：產生相變化時，分子內的共價鍵並沒有被破壞， 因此大部分分子通常具有較低的汽化熱、熔點 及沸點。 (2) 大部分為非電解質。 ○1 _{分子物質在固態、液態時均不能解離出離子，故不導電。} ○2 _{僅有酸、鹼分子的水溶液可導電。} 例： HCl(aq) → H ＋ (aq)＋Cl － (aq) NH3(g)＋H2O() NH4 ＋ (aq)＋OH － (aq) ○3 _{分子晶體不具有延性與展性。} ○4 _{元素分子或化合物分子是由最小單位的分子組成，以分子式表示。} ○5 _{任何分子均具有固定組成、形狀(因共價鍵具方向性)及化性，其組成多屬於非金屬元素。} ○6 _{不同物質其分子間的作用力大小不一，因此在常態下以不同的狀態存在。} 3. 常溫常壓下，離子化合物與化合物分子的比較： 物質 離子化合物 化合物分子 狀態 常溫下通常為具晶形的固體 常溫下有氣體、液體及固體 硬度 堅硬或易碎 固體易碎，質軟或呈蠟狀 破壞引力 離子間的離子鍵，較強 分子與分子間的引力，較弱 熔、沸點 高熔點、高沸點 低熔點、低沸點(－250℃~600℃) 導電性 熔融態時是好的導電物質，固 態時不是好的導電與導熱物質 一般而言，無法導電與導熱 溶解度 大部分可溶於水且難溶於有機 溶劑 大部分不溶於水，部分可溶於有機溶劑 (三) 常見的分子物質及其性質：（ 氯， 碳， 氧， 氫， 磷， 硫） 化學式 分子模型 熔點（C） 沸點（C） 外觀 （常溫、常壓下） 性 質 H2 －259 －252 無色氣體 莫耳質量最小的 氣體，難溶於水 CH4 －183 －162 無色氣體 難溶於水，可燃 燒，為天然氣的 主要成分 CO2 －78.5 （昇華點） － 無色氣體 密度大於空氣， 不 可 燃 、 不 助 燃，可滅火 HCl －114 －85 無色氣體 電解質，溶於水 成鹽酸

H2O 0 100 無色液體 優良溶劑 C2H5OH －117 78 無色液體 可與水依任意比 例互溶 CCl4 －23 77 無色液體 難溶於水，具有 毒性的有機溶劑 P4 44 280 白色固體 難溶於水，具有 毒性 S8 113 － 黃色固體 難溶於水，最穩 定形態為斜方硫 (四) 網狀固體：（詳見 2-4 節） (1) 結構：連續性延伸的結構，熔、沸點高。 (2) 實例：C、Si、SiC、SiO2、BN。 【範例 5】 分子物質的特性 下列有關分子物質的敘述，何者正確？ (A)由共價鍵結合而成 (B)均為非電解質 (C)具分子式 (D)熔點通常較離子化合物高 (E) NH4Cl、P4 均為分子物質。 答 (A)(C) 解 (B) 酸及氨為電解質。 (D) 分子物質的熔點較低。 (E) NH4Cl 為離子化合物。 [類題 5-1] 下列哪一種物質的熔點最低？

(A) (NH4)2S (B) KBr (C) NaNO2 (D) C2H5OH (E) MgO。

答 (D) (A)(B)(C)(E)為離子化合物。(D)為分子物質。 [類題 5-2] 下列何者為分子物質？ (A) C60 (B) NH4Cl (C) K2O (D) S8 (E) CCl4。 答 (A)(D)(E) (B)(C) NH4 ＋ 、Cl－ 間為離子鍵，K＋、O2－ 間亦為離子鍵，故 NH4Cl、K2O 均為離子化合物。 【範例 6】 分子物質的特性 下列哪些物質在固態及熔融態時不導電，但在水溶液態時可以導電？ (A) CO2 (B) NaCl (C) H2SO4 (D) KOH (E) CH3OH。

答 (A)(C)

解 酸僅在水溶液態可以導電。(A)溶於水會形成 H2CO3。(B)(D)為離子化合物，熔融態及水溶液

態均可導電。(E)甲醇為非電解質。 [類題 6] 下列何者可以導電？

(A) HCl() (B) H2S(aq) (C) KBr() (D) KOH(s) (E) C6H12O6(aq)。

答 (B)(C)

(A) HCl(aq) 才可導電。(B)為酸。(C)為離子化合物。(D)離子化合物在熔融態及水溶液態時才可導電。

【範例 7】 鍵結形式

下列哪些物質為離子化合物，但含有共價鍵？

(A) CHCl3 (B) NaF (C) MgCl2 (D) KNO3 (E) Na3PO4 (F) NH4Cl。

提示找離子化合物 → 再找含不同原子所形成的原子團者（NO3 － 、NH4 ＋ ……）。 答 (D)(E)(F) 解 (A)僅共價鍵。(B)僅離子鍵。(C) Cl－_⋯Mg2＋_⋯Cl－ ，僅離子鍵。(D) K＋ 、NO3 － 間為離子鍵，N、 O 間為共價鍵。(E) Na＋、PO43 － 間為離子鍵，P、O 間為共價鍵。(F) NH4 ＋ 、Cl－ 間為離子鍵， N、H 間為共價鍵。 [類題 7] 下列哪些物質僅含有共價鍵？

(A) NaOH (B) HCl (C) CO2 (D) AgCl (E) Na2S。

答 (B)(C) 先去掉離子化合物。(A) Na＋ 、OH－ 間為離子鍵， O、H 間為共價鍵。(D) Ag＋、Cl－ 間為離子鍵。 (E) Na＋、S2－ 間為離子鍵。 【範例 8】 物質的形成 甲 ～ 癸為週期表前三週期的元素，其位置如下圖所示。回答下列問題： (1) 下列何項元素可以彼此結合成分子物質，且含有多鍵？ (A)甲、丁 (B)丁、癸 (C)庚、庚 (D)戊、辛 (E)甲、庚。 (2) 下列對於由甲和癸所結合成的化合物之敘述，何者正確？ (A)化學式為甲2癸 (B)其晶體不具有延性與展性 (C)熔融態時可以導電 (D)結構式中，含有孤對電子 (E)在該化合物中，癸具有與壬相同的價電子數。 答 (1)(C) (2)(B)(D)(E)

解 (1) 甲為 H、乙為 Li、丙為 Be、丁為 Mg、戊為 C、己為 N、庚為 O、辛為 F、壬為 Ne、

癸為 Cl。(A)形成 MgH2，為離子化合物。(B)形成 MgCl2，為離子化合物。(C)形成 O2，

O＝O 含有雙鍵。(D)形成 CF4， 均為單鍵。(E)形成 H2O，H－O－H 均為單鍵。

(2) (A)化合物為 HCl，故應為甲癸。(B)分子物質不具有延性與展性。(C)水溶液態才可導電。 (D) 。(E)在 HCl 中，癸有 8 個價電子，與壬相同。 [類題 8] 承【範例 8】，下列何種組合，結合後各元素皆能與壬原子有相同的電子數？ (A)甲、戊 (B)乙、辛 (C)己、己 (D)戊、辛 (E)丁、辛。 答 (C)(D)(E) 壬即 Ne，有 10 個電子。(A) ，H 與 C 共用 1 個電子，所以 H 有 2 個電子， 6C 有 6＋4＝10（個）電子。(B) LiF，為離子化合物，其中 3Li ＋ 有 3－1＝2（個）電子， 9F － 有 9＋1＝10（個）電子。(C) N≡N，N 與另一個 N 共用 3 個電子，所以 7N 有 7＋3＝10（個）電子。(D) ，F 與 C 共用 1 個電子，所以 9F 有 9＋1＝10 （個）電子，₆C 有 6＋4＝10（個）電子。(E) MgF2，為離子化合物，其中 12Mg2 ＋ 有 12－2＝10 （個）電子，9F － 有 9＋1＝10（個）電子。

深入說明：

一、共價鍵長與原子共價半徑 1. 原子之共價半徑：在一雙原子分子中，例如 Cl2，我們可以利用儀 器測出兩個氯原子核間的距離，即為鍵長；而鍵長的一半，即定義 為原子的共價半徑。 2. 原子半徑大小之規律性： (1)同族元素之原子半徑，由上而下漸大。 例如：半徑 Li < Na < K < Rb < Cs，半徑 F < Cl < Br < I (2)同一週期之典型元素，原子半徑通常由左而右漸小。 例如：半徑 Li > Be > B > C > N > O > F 二、共價鍵的鍵能與鍵長 (一) 定義： 1. 鍵能（bond energy）：打斷共價鍵所需的能量，稱為共價鍵的鍵能或鍵解離能。 例：H2(g) → 2H(g)，H＝436 kJ  H－H 鍵能＝436 kJ/mol 2. 鍵長：共價鍵兩端鍵結原子的核間距離，稱為該共價鍵的鍵長。 單鍵 r0 D0 單鍵 r0 D0 單鍵 r0 D0 單鍵 r0 D0 H－O 96 463 C－H 109 413 N－H 101 391 F－F 142 155 H－F 92 567 C－C 154 348 N－N 145 163 Cl－Cl 199 242 H－Cl 127 431 C－N 147 293 N－O 136 201 Br－Br 228 193 H－Br 141 366 C－O 143 358 N－F 134 272 I－I 267 151 H－I 161 299 C－F 135 485 N－Cl 175 200 Si－Si 235 226 H－P 142 320 C－Cl 177 328 N－Br 184 243 Si－C 185 301 H－Si 148 323 C－Br 194 276 Si－O 166 368 多鍵 r0 D0 多鍵 r0 D0 多鍵 r0 D0 多鍵 r0 D0 C＝C 133 614 C＝N 138 615 C＝O 130 799 N≡N 110 941 C≡C 120 839 C≡N 116 891 N＝N 122 418 O＝O 121 495 ▲常見的共價鍵鍵長（r0，pm）與鍵能（D0，kJ／mol）、C＝O 為 CO2之碳氧鍵結。 (二) 鍵能與鍵長的大小比較： 1. 由相同原子所形成的共價鍵，鍵級愈大者，其鍵長愈短，而鍵能愈大。 例：鍵長：C≡C＜C＝C＜C－C N≡N＜O＝O＜F－F 鍵能：C≡C＞C＝C＞C－C N≡N＞O＝O＞F－F 2. 同鍵級時，通常同種原子以單鍵結合時，半徑愈小者，其鍵長愈短，鍵能愈大。 (1) 鍵長：H－H＜F－F＜Cl－Cl＜Br－Br＜I－I 鍵能：H－H＞Cl－Cl＞Br－Br＞F－F＞I－I (F 原子半徑小，電子雲密度大，電子互相排斥而使鍵能較小) (氫分子 H  H 的鍵長是所有單鍵中最短者，H  H 的鍵能是相同原子所形成的單鍵 中最大者。) (2) 鍵長：H－F＜H－Cl＜H－Br＜H－I 鍵能：H－F＞H－Cl＞H－Br＞H－I ※ 同鍵級時，極性共價鍵的鍵能較大。例：C≡O＞N≡N。

【範例 9】 鍵能與鍵長

下列鍵能或鍵長之比較，何者正確？

(A)鍵能：N2＞O2 (B)鍵能：Cl2＞I2 (C)鍵長：HF＞HI

(D) C、C 鍵長：C2H4＞C2H6 (E)鍵長：H2O＞H2S。

答 (A)(B)

解 (A) 鍵能：N≡N＞O＝O

(B) 原子半徑：Cl＜I 鍵長：Cl2＜I2 鍵能：Cl2＞I2

(C) 原子半徑：F＜I (D) 鍵長：乙烯（雙鍵）＜乙烷（單鍵） (E) 原子半徑：O＜S

[類題 9-1] 根據週期表中元素大小的規律性，判斷(甲) ∼ (戊)等分子在氣態時的鍵長，則下列鍵長 的關係，何者正確？【92 指考】 (甲)水 (乙)甲烷 (丙)氨 (丁)氫氣 (戊)氟化氫 (A)(甲)＞(乙)＞(丙)＞(丁)＞(戊) (B)(甲)＞(丙)＞(戊)＞(乙)＞(丁) (C)(乙)＞(丙)＞(甲)＞(戊)＞(丁) (D)(乙)＞(丁)＞(丙)＞(戊)＞(甲) (E)(乙)＞(甲)＞(戊)＞(丙)＞(丁)。 答 (C) 原子半徑：C＞N＞O＞F＞H 故鍵長：CH4（C－H）＞NH3（N－H）＞H2O（O－H）＞HF（H－F）＞H2（H－H） [類題 9-2] 寫出乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、乙炔（C2H2）的 C、C 鍵能大小順序。 答 乙炔（參鍵）＞乙烯（雙鍵）＞乙烷（單鍵） 三、常見其他分子的鍵結 1. CH4 2. C2H6先拆成兩個對稱的片斷2CH3 3. C2H42CH2 4. C2H22CH