第二章 原子結構與原子間鍵結
學習目標：
1.說明兩種原子模型，並說明二者不同之處。
2.描述重要的量子力學規則，並說明能階。
3.描繪二原子間或二離子間之吸引力、排斥力及淨力，並以位能圖畫出距離與位 能之關係。
4.簡述離子鍵、共價鍵、金屬鍵與凡得瓦爾鍵。
簡介
固體中原子間鍵結的一個重要原因是在某些實例中，鍵結之型式可允許我們 來說明材料的性質，例如：以石墨而言，其相對較軟且有滑膩感，鑽石則是已知 材料中最硬者。此種在性質上具有引人注目的懸殊差異性直接因於在石墨中的原 子間的鍵結的型式不存在於鑽石中。
原子結構
物質中，每一個原子都有非常小的原子核與微料的電子組成，每一種化學元 素特性都可由原子核中的質子數目，亦即原子序。
原子質量單位 (atomic mass unit) (amu)是計算原子量的一種單位， 1 amu 的 定義是最常見的碳的同位數之碳 12 (12C) (A=12.00000)的原子質量的 12/1。
在此一方案範圍內，原子和中子的質量稍大於 1，且
A=Z+N
一元素的原子量或一化合物的分子量是以每原子 (分子) 的 amu 或每莫耳材料 的質量來明確的表示。
原子中的電子
十九世紀有許多學者發現，以古典力學已經無法表現原子內部的運動情形，
因此經歷許多人、許多實驗中推論證明後，發展出一套近代物理學，稱為量子力 學。其中建立的原子內部的電子運動定律，依照此理論可以說明原子或結晶固體 內的電子行為。
根據量子力學原理原子中的電子，只被允許具有特定的能量值，這些能量值用能 階或狀態來表示，
依照波動力學理論中，可以知道電子以機率分部機率來安排電子軌域。
週期表
固體中的原子鍵結
當兩原子分開大距離時，其彼此間的作用力可忽略，當原子接近時，彼此間 會產生作用力，這些力有吸引力 (FA) 、排斥力 (FR) 及兩者和之淨力 (FN) ，FA、FR及 FN是原子間分開距離的函數，當 FA 和 FR平衡時或相等時就無 淨力，然後就存在一平衡的狀態，此時兩原子的中心將保持在分開的平衡距離
0。
兩原子間的排斥能、吸引能及淨位能，亦是原子間分開距離的函數，在平衡時，
淨位能達最低。
可由下圖中表示吸引力、排斥力與原子間的距離關係。
有時候我們可以用位能系統來表示二原子間的作用力，數學上，能量(E)和力(F) 之關係。
原子間的主要鍵結
離子濺出現在由金屬與分金屬組成的化合物中，金屬元素極易捨棄他們的價 電子而轉移給陰性強的分金屬原子。氯化鈉離子鏈的，鈉正離子和氯負離子藉著 它們的淨電荷相互吸引，而形成離子鍵。這一種陽離子和陰離子互相吸引的力為 庫倫力。
對兩個單獨的離子而言，吸引的能量EA是原子間距的函數：
共價鍵
共價鍵的形成由二個原子共用彼此的價電子，以達到安定的電子組態，外圍 有一共有八個電子為最穩定狀態，此為八偶體學說。
金屬鍵
金屬鍵存在於金屬材料及其合金中，一相對簡單的模型已被提出，此模型非 常近似鍵結模型。在所提出的模型中，這些原子的價電子並不是被特定的任一原 子束縛住，而是可以自由的在整個金屬中漂移。這些可自由移動價電子群可視為 屬於整個金屬，而在整個金屬內部形成一＂電子海＂或＂電子雲＂。
變動感應偶及鍵
一偶極的正端和鄰近偶極的負電區域間有庫倫吸引力存在，於是便產生鏈 結。這些瞬時產生的偶極會誘發或感應鄰近原子或分子產生偶極，並形成二個分 子或原子間之吸引力，如此的引力形成，我們稱為凡得瓦爾引力。
(a)相對於帶正電荷的原子核，電子在整個空間的分布是對稱的， 所以無偶極。
(b)原子中的所有電子歷經振動運動，使原為電對稱的原子或分子產生瞬時或短 生命的畸變，而有小電偶極產生。
永久偶極鍵
氫原子的唯一電子與其他原子共用，因此在這個鍵結另一端的氫原子，實際 上相當於一個裸露的正電質子，缺乏任何電子屏障。如此，這個分子的高正電荷 端，會與鄰近分子的父電荷末端產生很強的電荷吸引力。
