2012年10月23日星期二
原子彼此鍵結的基本概念 Bonding：General Concepts
化學原理啟迪341
1. 我們生活的世界由化合物與化合物所組成的混合物構成的：石頭、煤礦、土壤、石油、樹木、人體都是各種化合物的混合而成的，而化合物是由各種原子鍵結而成。
Rameau-Les Indes galantes. Les Sauvages
2. 自然界的確有些物質是由原子組成的，而非化合物，但是數量非常少。例如大氣裡的氬與混在天然氣裡的氦，仍舊保持原子的狀態。
3. 原子彼此鍵結成物質的方式，影響它的化學與物理性質。舉例來說，石墨是一種柔軟、滑潤的物質，可作為鎖的潤滑劑；鑽石則是非常堅硬的物質，可作為裝飾用的寶石，也可做為工業上的切割工具。這二種物質都是由純碳原子組成，為什麼性質差別這麼大？答案就是這二種物質的碳原子鍵結方式不同。
4. 在元素週期表，矽和碳都是4A族元素，矽在碳的下面（矽比較重），它們的週期不同，矽的原子核與電子比較多，體積也比較大。二氧化矽SiO2和二氧化碳CO2構造一樣，性質應該十分類似吧？但是，事實上物理性質差很多。
5. SiO2是矽石，這是固體，存在於石英和沙子中；CO2二氧化碳是氣體，是呼吸作用的產物。為什麼會有這麼大的差別？這又是原子鍵結方式的問題，接下來我們將討論原子的鍵結模型。
6. 原子之間的化學鍵與鍵結出來分子構造，對所有化學反應過程具有決定性的影響，其中有許多化學反應對維繫生命至關重要。
7. 這本書後面的章節將會討論酵素如何催化複合物進行化學反應，基因特性如何傳遞下去，血液理的血紅蛋白如何將氧氣運送到全身，說明化學鍵與分子構造的重要性。
8. 許多基本的生物反應深受到分子的立體構造的影響，一點點構造上的差異就會導致化學反應朝某個方向前進，而不會朝另一個方向前進。
9. 這時代有許多問題需要從化學中獲得解答：疾病與污染的控制、尋找新能源、各種穀物的蛋白質含量……等等。為了瞭解自然物質的行為，我們必須瞭解原子們鍵結的特性與控制化合物構造的因素。
10. 在這個章節我們將列舉各種化合物來說明幾種不同的化學鍵，並且演繹出鍵結模型說明自然界物質的內部結構與原子鍵結方式。我們將證明這些模型有助於瞭解各種化學反應。
化學鍵的種類Types of Chemical Bonds
11. 什麼是化學鍵？這個問題至今沒有一個完美而簡單的答案。不過這本教科書前面的章節，對化學鍵有一個定義：將原子團拉在一起的力量稱為化學鍵，化合物以每一個原子為基本單位，將原子串起來的東西就是化學鍵。
12. 有許多實驗可以判斷出物質的性質，舉例來說，我們可用實驗檢驗出物質的熔點、硬度、導電性和導熱性。要判斷一個分子的電荷分佈，將分子放在電場，研究它在電場裡的行為。
13. 透過測量打斷化學鍵所需的能量獲得化學鍵強度的資訊，稱為鍵能bond energy。光譜學研究物質電磁輻射，光譜學能夠提供化合物構造與電子在空間中的能階這方面的豐富資訊。
14. 原子有許多方式與其他原子鍵結。我們將舉幾個重要的例子來說明各種不同的化學鍵。當固體的氯化鈉加熱熔化成液態，氯化鈉就變得可以導電，這個事實說服我們相信氯化鈉含有鈉陽離子Na+與氯陰離子Cl－。
15. 因此當氯與鈉反應成氯化鈉，電子一定是從鈉原子轉移到氯原子，變成鈉離子Na+與氯離子Cl－結合成固體的氯化鈉。為什麼電子會從鈉原子轉移到氯原子呢？
16. 原因是，當電子從鈉原子轉移到氯原子，系統就會達到可能的最低能量。此外，氯原子天性喜歡多吸收一顆電子。還有一個更重要的因素是，兩個相反極性的離子互相吸引的強度遠勝於中性原子之間的引力。
17. 固體的氯化鈉離子非常堅固，它的熔點高達800℃。為什麼熔點會這麼高？因為氯化鈉的陰離子與陽離子之間存在靜電引力，強大的鍵結力量使氯化鈉處於穩定的熱力學狀態；氯化鈉的化學鍵就是離子鍵ionic bonding。
18. 金屬原子容易失去電子，而非金屬原子喜歡吸收電子，因此，當金屬與非金屬反應時，會產生離子化合物ionic compound。
19. 一對陰陽離子互相吸引的能量，可用庫倫定律Coulomb's law計算：
V＝Q1Q2/4πε0γ＝2.31×10－19 Jnm(Q1Q2/r)
V的單位是焦耳J；r是兩個離子之間的距離，以奈米為單位計算；Q1Q2是指離子的電荷數，ε0是真空介電常數。
20. 舉例來說，在固體的氯化鈉，鈉與氯離子中心的距離是276皮米pm（0.276奈米nm），每一對離子的離子鍵結能量是：
V＝2.31×10－19 [(+1)(－1)/0.276nm]＝－8.37×10－19J
註：－負號代表二個離子互相吸引。成對離子的能量低於獨立離子的能量。
21. 一莫耳Na+和Cl－離子互相吸引的能量是
V＝(－8.37×10－19J/ion pair)(6.022×1023
ion pair/mol)＝－504kJ/mol
22. 特別留意，這個能量是指一莫耳mole氣相的Na+、Cl－離子對的能量，每一對離子都是獨立，彼此遠離的。如果是固體的氯化鈉，裡面一排一排的Na+、Cl－離子對彼此非常靠近，每一顆離子都緊鄰著許多極性相反的離子，離子之間的引力使得固體氯化鈉的離子鍵能量會遠大於504kJ/mol。
23. 庫倫定律也可用來計算離子之間的斥力，當二個極性相同的離子被拉在一塊，彼此會產生斥力，以庫倫定律計算出來的斥力能量值是正數。
24. 徐弘毅注：在化合物的系統內二個原子之間的引力稱為鍵能，鍵能其實就是一種萬有引力。
25. 牛頓的萬有引力公式F＝G×(m1m2/r2)，F是二個物體之間的引力，G萬有引力常數，m1是物體1的質量，m2是物體2的質量，r是兩物體之間的距離。
26. F＝G×(m1m2/r2)的意思是，二物體之間的引力，隨著二個物體的質量愈大而愈大，隨著二個物體之間的距離愈近而愈大，這個原則當然也適用於化合物中的原子們。
27. 不過牛頓所說的世界與化合物的世界還是有一些不同：
1.牛頓萬有引力討論的二物體之間的引力，周遭沒有其他物體的引力影響，但是在化合物的世界，例如固體氯化鈉，每一顆原子同時被周遭有許多顆原子的引力影響。
2.牛頓萬有引力所指的物體是中性的，引力來源就是物體的質量；但是化合物裡的原子不一定是中性的，有許多化合物的組成元素是離子，具有強烈極性，電荷極性變成引力的來源。
28. 牛頓測量萬有引力的方法是將二物體彼此的引力放在距離平面上，看每單位面積的引力是多少，這是三度空間的測量方式，牛頓想的應該是宇宙天體遼闊廣大世界。
29. 庫倫是將二離子彼此的引力放在距離直線上，看每單位距離的引力是多少，因為庫倫定律所討論的是一個非常微小、原子密度很高、空隙很少的世界，所以用粒子之間的直線距離測量能量就夠。
30. 因此，庫倫定律與牛頓萬有引力定律有些相似，但也不完全相同。：
庫倫定律：V＝2.31×10－19 Jnm(Q1Q2/r)
萬有引力：F＝
G × (m1m2/r2)
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》
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