在上一個單元裡 我們學會了分子化合物的路易斯結構式 也知道當不同原子價電子數相同時 組成的分子可能會有相似的分子結構 現在讓我們來複習氯分子和溴分子的路易斯結構式 氯和溴同為17族的元素 每個原子皆有7個價電子 原子間可藉由共用一對電子 使所有的原子皆有和惰性氣體相同的電子組態 形成穩定的分子 也就是說它們的共價鍵皆為單鍵 雖然原子間皆為單鍵 且兩個分子的形狀相同 但由於氯原子和溴原子的原子鍵長並不相同 所以還是會有不同的性質 經由分子晶體X射線繞射的實驗 可以得到分子化合物中 形成共價鍵的兩個原子核間距離 稱之為「鍵長」 氯分子和溴分子的鍵長分別為199 pm和228 pm 而在標準狀態下 打斷氣態分子間的共價鍵使成為氣態原子所需的能量 稱為「鍵解離能」 也就是「鍵能」 氯分子和溴分子的鍵能分別為每莫耳242千焦和每莫耳193千焦 現在試著把這兩個性質進行比較 同學們想想看 你可以說出鍵長和鍵能的關係嗎？ 沒有錯 根據上面的實驗結果我們可能發現氯分子的鍵長較短 但要打斷氯分子間的共價鍵 所需的能量較大 表示當原子間共價鍵數目相同時 鍵長越短、鍵能越大 這可能是因為當鍵長較短時 鍵結原子的距離較近 其電子雲重疊的部分也較大 原子核對共用電子的吸引力也較大 使得鍵結的力量較強 故鍵能較大 水分子氨氣分子及甲烷分子的路易斯結構式如附圖所示 這3個分子中心原子與氫原子間皆共用1對電子對形成單鍵 且已知中心原子半徑的大小為氧原子＜氮原子＜碳原子 試著完成下列比較 從題目知道水分子 氨氣分子及甲烷分子的路易斯結構式並不相同 但中心原子與氫原子間皆共用1對電子對形成單鍵 且中心原子半徑的大小為氧原子＜氮原子＜碳原子 接著讓我們來比較這3個分子的鍵長和鍵能 已知共價鍵的鍵長是原子的半徑和 根據中心原子的半徑 我們可以知道共價鍵的鍵長大小為 氧氫鍵<氮氫鍵<碳氫鍵 鍵能大小則為氧氫鍵>氮氫鍵>碳氫鍵 除了單鍵以外 分子化合物中也可能存在多重鍵 例如雙鍵或參鍵 接著讓我們來畫畫看乙烷 乙烯和乙炔的路易斯結構式 由於碳原子有4個價電子 當乙烷中的2個碳原子分別 分別與3個氫原子的價電子形成單鍵時 最後各剩下的一個價電子 則會形成碳碳單鍵 而乙烯中的2個碳原子分別與2個氫原子的價電子結合時 各剩下兩個價電子 若要使兩個碳原子皆滿足八隅體 原子間共用4個電子形成雙鍵 那乙炔的碳原子又是如何形成鍵結的呢？ 是的 乙炔的2個碳原子分別和1個氫原子形成單鍵 而各剩下的三個價電子 則在原子間形成碳碳參鍵 也就是共用6個價電子 這三個分子間分別共用了1、2和3對電子對 在化學上 我們常用「鍵級」來表示原子間的鍵結電子對數 或是化學鍵的個數 所以這3個分子的鍵級分別為1、2和3 同學們可以想想看 雖然都是碳碳間的共價鍵 但如果鍵級不同 其鍵長和鍵能會有什麼樣的變化呢？ 我們可以試著從以下數據來推論 我們可以發現 當共價鍵鍵級越大 也就是共用電子對越多時 鍵長越短 鍵能也越大 這邊值得注意的是雖然是多了一個化學鍵 但雙鍵的鍵能卻不是單鍵的2倍 我們將在下一個單元中進行更進一步的討論 畫出一氧化碳分子和二氧化碳分子的路易斯結構式 並進行比較碳氧鍵的鍵級 鍵長和鍵能的關係 為了使每個原子都滿足八隅體 在一氧化碳分子中 碳氧間有3對共用電子對 鍵級為3 而二氧化碳分子中 每個碳氧間有2對共用電子對 鍵級為2 所以我們可以推論 在這2個分子中的碳氧鍵 鍵長為一氧化碳<二氧化碳 鍵能則為一氧化碳>二氧化碳 還記得在上一集影片中 碳酸根離子的路易斯結構式嗎？ 當每個原子都滿足八隅體時 可以發現碳酸根有三種可能的路易斯結構式 可以用「共振結構式」表示 由於有一對共振的電子對 碳氧間的共價鍵既不是單鍵也不是雙鍵 根據下表中的資料 你可以推測出碳酸根離子中的碳氧鍵 其鍵長與鍵能可能的數值嗎？ 由於中心的碳原子以4對共用電子對 與3個氧原子形成共價鍵 碳氧間的共價鍵級為1又1/3 故我們可以推測其鍵長應該介於143~122pm之間 實驗結果則顯示鍵長約為129 pm 鍵能則可能介於每莫耳358~749kJ 且會因為所形成離子化合物的種類不同而有不同數值 最後我們來複習今天學到的內容 包含 鍵長、鍵能及鍵級的定義 根據原子半徑大小 我們可以判斷出分子間的共價鍵鍵長的大小 也就是形成共價鍵的原子核間的距離 根據共價鍵的鍵長和鍵能的關係 我們知道要打斷氣態分子間的共價鍵 使成為氣態原子所需的能量 隨著共價鍵的鍵長越短 鍵能越大 另外我們可以用鍵級來表示原子間鍵結電子對的個數 並用來比較不同鍵級的化學鍵 其鍵長和鍵能的大小 除了整數的鍵級外 我們也可以利用分子的共振結構式 計算出非整數的共價鍵鍵級 進一步預估可能的鍵長和鍵能 最後讓我們一起來動動腦 除了共價小分子外 非金屬原子也可以用共價鍵形成共價網狀固體 例如碳原子可以用不同的鍵結方式 形成鑽石或石墨 那鑽石和石墨的鍵級分別為多少？ 它們的鍵長和鍵能可能會落在哪個範圍之內呢？ 如果你已經有答案了 歡迎在影片下方留言區告訴我們 我們下次見