共价键定义

共价键是在两个原子共享电子时形成的。在这种相互作用中，共享的电子对被称为成键电子对。共价键也称为分子键。通过共享成键电子对，原子在其外层轨道上获得稳定性，就像稀有气体原子一样。

什么是共价键？

电离能极高的元素无法传递电子，而电子亲和力极低的元素无法接受电子。为了通过在各自的价层中形成八隅体构型来实现稳定性，这些元素的原子通常会与其他元素或同种元素的其他原子共享电子。共价键是指不同或相似分子类型之间共享电子对的结合。

共价键的形成方式有两种：

1. 同种原子之间共享电子。例如，H2、Cl2、O2 等。
2. 不同种原子之间电子的转移。例如，CH4、H2、NH3 等的形成。

碳的原子共价键

根据碳的电子构型，它必须获得或失去 4 个电子才能稳定，鉴于以下几点，这似乎是不可能的：

1. 碳通过获得 4 个电子无法变成 C4-，因为其 6 个质子难以束缚 10 个电子，这会导致原子不稳定。
2. 碳为了形成 C4+ 而失去 4 个电子会消耗大量能量，而 C4+ 只能由质子保留 2 个电子，这会再次使其不稳定。
3. 为了达到最近的稀有气体状态并形成共价键，碳必须共享一个电子，因为它既不能接收也不能给出电子。

共价键的特性

下面列出了共价键的几个特性：

1. 如果两原子之间共享的一对电子不能满足每个原子的正常价数，则原子可以共享不止一对电子。
2. 共价键不会产生新的电子。它们只是通过键进行配对。
3. 共价键通常包含约 80 千卡/摩尔 (kcal/mol) 的能量，使其成为原子之间非常强的化学键。
4. 形成后，共价键几乎不会自发断裂。
5. 共价键是方向性的，键合的原子相对于彼此显示出特定的取向。
6. 大多数共价键合的物质具有相对较低的熔点和沸点，并且它们的汽化焓和熔融焓通常也较低。
7. 由共价键形成的化合物中不存在自由电子，因此无法导电。
8. 共价化合物通常不溶于水。

什么是八隅体规则？

除了稀有气体，所有原子的价层电子数都少于八个。换句话说，这些原子的价层结构不稳定。因此，它们会结合形成稳定的电子结构，无论是与其他原子结合还是与自身结合。

因此，“化学结合是由不同元素的原子趋向于在其价层中获得稳定的八个电子构型引起的”，以及“原子价层中获得最多八个电子的原理称为八隅体规则”。 刘易斯设计了简单的符号来表示价电子，即原子最外层壳层。这些符号称为电子点符号，化学物质的结构称为刘易斯点结构。

书写刘易斯点结构的条件

共价键在两个原子结合并共享电子对时形成，每个键由两个电子组成，这些电子由每个结合的原子提供。通过电子共享，每个原子在其价层中形成八隅体构型。

共价化合物的电子点结构按照八隅体规则表示。根据该规则，分子中的每个原子（氢原子除外）都有八个价层电子。由于氢原子只需要两个电子即可达到氦原子形式，因此它只有两个电子。

为了形成稳定的八隅体，第 17 族元素（如 Cl）将共享一个电子，第 16 族元素（如 O 和 S）将共享两个电子，第 15 族元素将共享三个电子，依此类推。氧原子在价层中有六个电子，通过与两个氢原子共享其两个电子来形成水分子，从而完成其八隅体。

共价键的不同类型

根据共享电子对的数量不同，共价键可分为：

• 单共价键
• 双共价键
• 三共价键

单键

当两个参与的原子只共享一对电子时，就会形成一个单键。它由一个短线 (-) 表示。这种类型的共价键虽然比双键和三键弱且密度较低，但却是最稳定的。

例如： HCl 分子由一个具有一个价电子的氢原子和一个具有七个价电子的氯原子组成。在这种情况下，氢和氯共享一个电子以形成单键。

双键

当两个参与的原子共享两对电子时，就会形成双键。其标识是两条短线 (=)。双共价键比单键的强度大得多，尽管稳定性较低。

示例： 二氧化碳分子由两个具有四个价电子的氧原子和一个具有六个价电子的碳原子组成。

为了完成其八隅体，碳与一个氧原子共享其两个价电子，与另一个氧原子共享另外两个。由于每个氧原子与碳共享其两个电子，CO₂ 形成两个双键。

氧分子由两个氧原子组成，每个氧原子的价层有六个电子。每个原子还需要另外两个电子才能完成其八隅体。原子之间共享两个电子导致形成氧分子。由于共享两对电子，两个氧原子之间存在双键。

在乙烯分子中，每个碳原子的两个价电子与两个氢原子共享，其余两个电子与另一个碳原子共享。因此，碳原子之间形成双键。

三键

当两个参与的原子共享三对电子时，就会形成三键。三共价键用三条短线表示，是最不稳定的共价键。

例如： 在合成氮分子时，每个氮原子（具有五个价电子）捐献三个电子以形成三个电子对。因此，两个氮原子通过三键连接。

极性共价键

当两个原子结合时，由于原子不同的电负性导致电子的不均匀共享，就会形成一种共价键。电负性更高的原子会更强烈地吸引电子。原子之间的电负性差异大于 0 但小于 2.0。因此，共享的电子对将更靠近该原子。以形成氢键的分子为例，因为存在不平衡的静电势。在这里，电负性强的氟、氢或氧与氢原子相互作用。

非极性共价键

当电子在原子之间均匀分布时，就会形成这种共价键。两个原子的电负性相同。每当结合的原子具有相似的电子亲和力（双原子元素）时，就会发生这种情况。例如， 具有非极性共价键的气体分子包括氢气、氮气等。

共价键的极化

人们观察到，在两个不同原子形成的 sigma 键中，电负性更高的原子总是更靠近电子云。由于由此产生的永久偶极子，该共价键被称为极化。

上图描绘了水分子中共价键的极性。在极性共价键中，电负性更高的原子带有部分负电荷，而电负性较低的原子带有部分正电荷。

共价键与离子键的区别

原子键可以具有离子或共价结构。这些键具有不同的拓扑结构和特征。共价键通过两个原子以特定构型连接来包含电子对。另一方面，离子键是连接两个离子的键。

当两个非金属原子形成共价键时，它们的电子对被共享，并且存在电负性差异大于 2.0 (>2.0) 的其他共价键。当建立共价键时，会形成多原子离子。而离子键是由带相反电荷的离子之间的静电吸引产生的。