化學鍵——電子變化造就的詩
廣義上講，化學鍵就是將原子結合成物質世界的作用力。在物質世界裏原子相互吸引、相互排斥，以一定的次序結合形成分子或是晶體。分子是保持物質化學性質的最小離子，是參與化學反應的基元。可是什麼是分子呢？隨着科學地不斷發展，分子再也不是人們曾經所瞭解的分子。到今天21世紀，分子(molecule)已經發展成了泛分子，泛指化學的研究對象。
這篇文章的題目是“電子變化造就的詩”那麼我想要談的就是化學鍵。化學鍵的種類多種多樣，主要有離子鍵共價鍵和金屬鍵。除此之外還有類金屬鍵，氫橋鍵，氯橋鍵，配位鍵，抓氫鍵，次級鍵等。
首先我想講講離子鍵。當電離能較小的非金屬原子與電子親和能較大的非金屬原子靠近時，前者易失去電子形成正離子，而後者易得到電子形成負離子，這樣正負離子便都具有稀有氣體的穩定結構。他們之間靠靜電作用結合，像這樣正負離子間的相互作用我們就稱爲離子鍵。離子鍵最主要的特點就是:不具有方向性與飽和性。通常條件下，離子化合物是由正負離子交替連接構成的晶體物質，我們卻無法從晶體中劃分出獨立的氯化鈉分子，確切地說化學式NaCl只表示在氯化鈉晶體中Na+與Cl-的摩爾比爲1:1。
離子鍵的強度主要由晶格能衡量，晶格能主要取決於兩個因素，其一是離子的電荷數，其二是離子半徑。晶格能大小與離子電荷數成正比，與離子半徑成反比。也就是說離子的電荷數越大，半徑越小晶格能就越大，離子鍵的強度也就越強。離子化合物的晶格能越大，正負離子間的結合能力越強，相應地，晶體熔點越高，硬度越大，熱膨脹係數和壓縮係數越小。
既然談到了離子鍵的強度，也就不能不談離子極化了。首先我們應該知道什麼是理想狀態下的離子。如圖所示理想情況下的離子應該是像第一張圖一樣是完美的球體。但是不可能存在完美的離子，離子在周圍異性電荷離子電場的作用下被誘導極化，導致電子雲形狀發生改變，電子雲形狀偏離原來的球型分佈，這一現象就被稱爲離子極化。
離子極化的程度主要有兩個影響因素，一個是陰離子的變形性，也就是在外加電場下電子雲形狀的變形能力；第二個就是陽離子的極化能力，即離子對周圍電場施加的電場強度。離子的極化能力不同從而形成了有離子鍵到共價鍵的過度。離子極化程度越高，離子化合物的性質就越偏向於共價化合物，因此在一定條件下，離子極化可以看做削弱原有離子鍵的強度加強鍵的共價成分。離子極化顯著地影響了晶體結構，穩定性，酸鹼性，水解能力等等。
上面講離子極化的時候提到了共價鍵那麼這裏我就着重說一下共價鍵。1916年，Lewis通過總結實驗現象，提出了分子中原子之間可以通過共用電子對從而使原子具有稀有氣體的穩定結構，這樣的分子就稱作共價分子。像這樣原子通過共用電子對形成的化學鍵叫做共價鍵。說到共用電子對首先應該對原子結構有一定了解。
隨着科學的發展人們對原子結構的認識早已經不是實心小球模型和棗糕模型，甚至跨越了行星模型。緊貼物理學的發展，科學家們提出了電子雲模型。電子在原子核外做無規則運動，電子雲的圖像僅表示電子的概率分佈，表示電子在某一位置出現的概率。如下圖是氫原子的電子雲徑向密度分佈示意圖:
下圖是不同的電子雲的軌道角度分佈圖:
電子雲空間分佈圖:
那麼再次回到共價鍵，共價鍵是指原子共用電子對，在瞭解電子雲圖像後，其實我們還可以理解爲電子雲的有效重疊形成了共價鍵。如下圖是氫分子形成過程能量隨核間距變化的示意圖:
由圖片也可以知道，當兩個氫原子離得無限遠的時候能量接近於0，而當兩個氫原子在一定範圍內靠近的時候，體系能量降低，實質上電子雲的有效重疊使得能量降低。運用波函數，波函數的有效疊加其實可以使體系能量降低。但是兩個氫原子的間距如果無限減小那麼其實能量反而會升高，因此在成鍵過程中我們強調電子雲的有效重疊或是波函數的有效疊加使得體系能量降低從而成鍵。
離子鍵沒有飽和性與方向性，而共價鍵的主要特點是具有飽和性和方向性。在成鍵中Pauling從量子力學出發，根據電子具有波動性，波函數可以疊加的量子力學觀點，他認爲原子軌道波函數可以相互疊加，從而組成同等數目的能量完全相同的雜化原子軌道。舉個例子:一個s軌道和一個p軌道可以疊加形成2個完全相同的的sp雜化軌道。如氯化鈹中兩個Cl-Be鍵等價，實際上是鈹原子的一個s軌道和一個p軌道形成兩個sp雜化軌道然後與氯原子的p軌道的電子雲有效重疊形成共價鍵。
定域共價鍵主要有2種一個是σ(sigma)鍵還有一個是π(pai)鍵。如下圖所示爲sigma鍵:
形象地說就是原子軌道的電子圖像以“頭碰頭”的方式有效重疊使得體系能量降低。
而π鍵是以一種“肩並肩”的方式有效重疊使得體系能量降低如下圖所示
共價鍵還可以分爲極性共價鍵和非極性共價鍵。在高中階段，認爲只有兩個相同的原子之間形成的鍵爲非極性共價鍵。但是在實驗中一般情況下設A，B兩原子的電負性差小於0.4那麼該共價鍵幾乎不表現極性或極性很小。爲了更加科學精準，一般地，電負性相差大於1.7的稱作離子鍵，電負性差在0.4-1.7的稱爲極性共價鍵，小於0.4的叫共價鍵，只有兩個完全相同原子成鍵時叫做非極性共價鍵。其實瞭解了離子極化之後就會發現，其實離子鍵與共價鍵並沒有明顯地界定，上述所說的電負性差也就只是一般性方法，雖可保90%，但是終歸有不少特例。
上面是兩種最基礎的定域化學鍵，下面再說說離域大π鍵。對於定域和離域下面給出區別。離域和定域相反，定域指π電子的運動範圍侷限於成雙鍵的兩個原子附近（主要分佈在兩原子核連線的中央部位附近），離域則是原本主要活動於兩個原子間的π電子受到鄰近π電子或取向合適的孤對電子的作用（這種作用稱爲共軛），活動範圍變大（即雙鍵π電子雲密度在兩個以上的原子間平均分佈），換個說法就是電子雲部分流向了共軛體系中的其它原子上，因此稱爲離域。一句話簡單地說離域就是π電子運動範圍變大。共振結構是對離域的另一種描述，沒有本質區別。
普通的π鍵都是兩個電子形成的鍵，對於離域π鍵則是多電子多軌道形成的鍵如下圖所示爲苯分子的離域π鍵:
對於該苯環，苯中三個相鄰的雙鍵發生共軛，使得單鍵和雙鍵的電子雲密度平均化，即雙鍵中部分π電子雲流到了原先的單鍵附近。π電子運動範圍變大也就是π電子在六個碳原子間運動。通過現有的理論計算，形成大派鍵的必要不充分條件是:電子數小於兩倍的軌道數。
講完了離子鍵和共價鍵，下面再談談金屬鍵。金屬原子半徑較大，原子覈對電子的吸引能力較弱，易形成自由電子或離域電子，這些電子可以在金屬中隨意流動。剩下的正離子就浸泡在了電子的“海洋中”，這就是最經典的自由電子“海洋”理論。經典的電子“海洋”理論可以解釋很多事實，但更加準確的描述還是應該藉助現代物理學的能帶理論。
用電子“海洋”理論解釋金屬的導電性其實是因爲有大量可移動的自由電子所以導電性好。但是從能帶理論，其實是因爲金屬的成鍵軌道與反鍵軌道能量差距小，電子可以輕鬆從低能量的軌道到高能量的軌道。而絕緣體的導電性差主要還是是因爲成鍵軌道與反鍵軌道差距很大 電子極難實現躍遷。
最後再說說次級鍵吧，其實次級鍵就是除了離子鍵，共價鍵和金屬鍵之外各類鍵的總稱。次級鍵裏面最常見的要數氫鍵了。氫鍵的形成原因非常簡單，大電負性原子對於電子有很強的束縛能力和吸引能力，在與氫結合時氫的核外電子幾乎完全被大電負性原子奪去了。由於氫原子沒有中子，當氫原子的電子被奪後，幾乎形成了裸露的質子。而大電負性的原子帶上了負點核，於是就會與其他幾乎裸露的氫原子間成氫鍵。
關於氫鍵現在學術界有兩種主流說法一種是離子理論:氫鍵的本質是一種靜電引力，不具有飽和性和方向性。而另一種理論上共價理論，認爲氫鍵可以看做是一種共價鍵，既有方向性又有飽和性。對於上述兩種說法其實都是正確的因爲大量的實驗數據與事實屆可以成爲以上兩條理論的有力論證。如下圖爲水分子的氫鍵示意圖:
次級鍵中還有一種比較另類，叫範德華力。範德華力就是分子間作用力，但其實範德華力就是一種分子間的相互作用幾乎不能算作一種鍵。範德華力主要有三種，分別是:取向力誘導力和色散力。取向力是指極性分子相互靠近，同極相斥異極相吸分子按一定取向排列，從而使化合物達到一種較爲穩定的狀態。這種固有偶極子的相互作用叫做取向力。極性分子會產生固有電場，該電場會使得其他分子的電子雲形狀變形，從而形成誘導偶極子。這種極性分子固有偶極與非極性分子誘導偶極這種作用力稱爲誘導力。非極性分子在覈外電子的運動和原子核的震動中會導致正負電荷中心不重合發生偏移，從而產生瞬時偶極，瞬時偶極又可使與它相鄰的另一非金屬分子產生瞬時偶極。這種分子不斷產生瞬時偶極而形成的作用力叫做色散力。
上文中不管是什麼化學鍵，均離不開電子，化學之神奇便是電子的變換；化學之魅力是電子變幻所譜寫的詩篇。
以上
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