我們曾經學過 具有相同價電子數的元素 其化學性質相似 會放在週期表的同一直行中 例如第1族的元素 鋰、鈉、鉀、銣、銫、鍅 價電子數皆為1 且具有類似的化學性質 其他例如第2族的元素 價電子數皆為2 第13族 的元素 價電子數皆為3 可依此類推至第18族 的元素 除了氦的價電子數為2之外 其他元素的價電子數皆為8 另外 我們也曾經學過 在物質中 原子可藉由「得失電子」或是「共用電子」 而擁有跟第18族惰性氣體相同的價電子數 此時會呈現較為穩定的狀態 這稱為「八隅體規則」 金屬和非金屬原子藉由「得失電子」而形成「離子化合物」的介紹 可參考【化學鍵－離子鍵及離子化合物的性質】的影片 而非金屬和非金屬原子 則可共用「價電子」而形成「分子化合物」 首先我們先來探討氫氣分子的形成 同學們都知道 氫氣分子是由兩個氫原子所組成 化學式為H₂ 那為什麼不是H₃呢？ 由圖中可以看出黑色電子屬於左邊的氫原子 紅色的電子屬於右邊的氫原子 當兩個氫原子互相靠近時 共用了彼此的電子 也就是對於左邊的氫原子而言 附近黑色和紅色的兩個電子 剛好可以形成與惰性氣體氦相同的電子組態 因此穩定下來 對於右邊的氫原子而言亦是同理 所以氫分子是H₂ 第三個H並無法加入已具有與惰性氣體相同電子組態的氫分子中 故不會以H₃的方式存在 接著我們再看氯氣分子的例子 由圖中可以看出 氯原子原本擁有7個價電子 只要再多1個電子 就能夠形成與惰性氣體氬相同的電子組態而穩定下來 當兩個氯原子互相靠近時 各拿出一個電子來共用 就能讓兩個氯原子都有與惰性氣體相同的電子組態 也就是形成氯氣分子Cl₂ 最後讓我們看一個比較複雜的例子 由圖中可以看出 氧原子原本擁有6個價電子 只要再多2個電子 就能夠形成與惰性氣體氖相同的電子組態而穩定下來 此時 氧原子藉由與兩個氫原子各共用1個電子而達成穩定 兩個氫原子分別也藉由與氧原子共用1個電子而達成穩定 這就是水分子H₂O 以上這些例子中 原子與原子之間利用「共用電子對」的方式 各自形成與惰性氣體相同穩定的電子組態 亦即符合八隅體規則 此時「原子核的正電」與「共用電子對的負電」之間 正負相吸的庫侖靜電力 就是「共價鍵」 同學們已經學到共價鍵是如何利用共用電子對的方式形成 接著請你試著畫畫看氨氣分子中 電子共用的狀況 再來 我們要從能量的角度來了解共價鍵的形成 在自然界中 能量高表示狀態較不穩定 而能量低則表示狀態較為穩定 當兩個氫原子距離無窮遠時 兩者沒有交互作用 科學家定義此時的能量為零 當這兩個原子相互靠近時 除了原子核與其自身電子之間的靜電吸引力之外 新的作用力開始起作用 包括Ha的原子核和Hb的價電子 Hb的原子核和Ha的價電子間的吸引力 如藍色箭頭 以及Ha和Hb的原子核 Ha和Hb的價電子間的排斥力 如紅色箭頭 當兩原子靠近時 Ha和Hb間的吸引力會使系統能量降低 Ha和Hb間的排斥力則會讓系統能量升高 在初始階段 隨著氫原子相互靠近 吸引力大於排斥力 位能減小 當氫原子間的引力也恰好等於斥力時 能量來到最低點 是最為穩定的狀態 此時恰好形成共價鍵 同學們一定覺得很好奇 若兩個氫原子繼續靠近會怎樣呢？ 如果繼續更加靠近 原子核間和電子間的排斥力會急遽增加 在這段區間中 氫原子間的排斥力大於吸引力 總和能量在此時大幅上升 狀態變得極度不穩定 而使氫原子間的距離拉開 重新回到形成共價鍵時的最適距離 形成共價鍵時 兩個氫原子核之間的距離稱為「鍵長」 從氫原子到形成氫分子過程中所釋放的能量 稱為「鍵能」 此能量和將氫分子解離成氫原子的「鍵解離能」大小相同 我們已經從能量角度了解共價鍵的形成 畫面中是兩個氫原子間能量與距離的關係圖 請你試著在畫面中畫出兩個氯原子間能量與距離關係圖的約略位置 我們一起來複習今天所學到的價鍵理論與共價鍵的形成 原子與原子之間利用「共用價電子」的方式 各自形成遵守八隅體規則的電子組態 而形成「共價鍵」 從能量的角度來看 當兩個原子間的距離是能量最低的狀態時 表示「共價鍵」形成了 此時 兩原子核間的距離稱為「鍵長」 從氫原子形成氫分子過程中釋放的能量則稱為「鍵能」 最後讓我們一起動動腦 根據影片中對原子形成共價鍵時的吸引力和排斥力的分析 你可以推測看看兩個已經滿足八隅體規則的氦原子接近時 能量會如何變化嗎？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案 我們下次見