共價化學鍵：模型 The Covalent Chemical Bond：A Model

化學原理啟迪351

1.     什麼是化學鍵？化學鍵是將一群原子連結成一個單位的力量。為什麼會產生化學鍵？自然界的法則沒有說原子們形成化學鍵比較有利，還是不形成化學鍵比較有利，一切都看怎麼發展會比較穩定。

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2.     最簡單的觀念就是，當一群原子們團結起來鍵結會比分開來穩定（能量比較低），這一群原子們就會彼此鍵結。

3.     舉例來說，要將1mole甲烷分子CH4化學鍵斷裂成獨立的C和H原子，需要1652kJ的能量。反過來說，當1mole的氣體碳原子和4mole的氣體氫原子結合成1mole的甲烷CH4，會釋放出1652kJ的能量。

4.     因此，我們可以說1mole的CH4甲烷氣體分子，比1mole碳原子加4mole氫原子的能量，低了1652kJ。甲烷比組成元素C和H更穩定。

5.     用化學鍵模型可以清楚地解釋分子的穩定物。以甲烷為例，它的結構是四個氫原子在四面體的角落，而碳在中心點：

6.     從這個結構可以清楚看到四個獨立的C－H鍵。穩定甲烷CH4的能量，除以四個化學鍵後，得到每一莫耳C－H鍵的能量：

1652kJ/4＝413kJ

7.     接下來討論氯甲烷CH3Cl的構造：

8.     實驗顯示，要將1莫耳氣體CH3Cl斷裂成氯原子Cl、碳原子C和氫原子H，需要1578kJ的能量。將元素Cl、C、H組成CH3Cl的逆反應程序可寫成：

C(g)＋Cl(g)＋3H(g)→CH3Cl(g)＋1578kJ/mol

9.     「1mol氯甲烷氣體」能量比它「獨立的組成原子（氣體）」低1575kJ。因此1mole的氯甲烷是被1578kJ的能量結合在一起的。

注：牛頓說「作用力等於反作用力」，因此，打斷氯甲烷化學鍵的能量，就是維繫氯、碳和氫鍵結在一起的能量。

10. 從模型來看，氯甲烷共有1個C－Cl鍵和3個C－H鍵。假設C－H鍵不受環境影響，每一個C－H鍵的鍵能都一樣，那麼，計算方式如下：

1mole的C－Cl與3mole的C－H鍵＝1578kJ

C－Cl鍵能＋3(C－H鍵的平均鍵能) ＝1578kJ

C－Cl鍵的鍵能＋3（143kJ/mol）＝1578kJ

C－Cl鍵的鍵能＝1578－1239＝339kJ/mol

11. 有一點必須提醒，化學鍵的觀念是人為發明出來的。化學鍵提供一個區別分子內各原子之間能量的方法。因此一個化學鍵代表一個能量單位。

化學鍵模型概論Models：An Overview

12. 化學由許多模型組成，這些模型的作用是解釋科學家在巨觀世界經驗到的物質現象與微觀世界的自然操作因素有什麼樣的關連。

13. 要瞭解物質的化學性質，必須先瞭解物質的模型與這些模型的使用方式。我們將會利用化學鍵的觀念再次強調模型的重要性質，包括物質模型的起源、構造與使用方式。

14. 模型來自於我們觀察到的自然物質性質。舉例來說，化學鍵的觀念來自於客觀觀察發現，大部分的化學變化過程涉及原子的集合（與分散），化學反應就是原子的重新排列，分組結合。因此要瞭解反應，我們必須瞭解推動原子結合的力量。

15. 自然的反應程序傾向於將物質朝向低能量的方向改變。因此，會發生原子們重新組合一定是因為原子們彼此鍵結的狀態其能量低於原子分散的狀態。

16. 要解釋原子鍵結造成能量變化，牽涉到原子鍵結時是共享電子，還是轉移電子成為離子。如果原子鍵結方式是共享電子，要解釋這種化合物的能量變化最方便的方法是假設每一對原子之間有一個化學鍵。接下來我們將探討這種設定的可信度與功用。

17. 在雙原子分子H2，應該假設原子之間有一個化學鍵將兩個氫原子連結在一起。多原子分子應當假設為內含許多獨立的化學鍵。以甲烷CH4為例，化學家不會將氨視為一個單位，而是將氨視為由四個C－H鍵組成的分子，因此穩定氨的能量1652kJ/mole分割成為四，每個化學鍵的能量是413kJ/mole。

18. 如果沒有化合物能量被切割成個別化學鍵能量的觀念，化學將複雜到無法想像。因為這個世界上有數百萬種化學化合物，如果每一種化合物都必須視為一個新的個體，研究物質化學行為的負擔將重得無法想像。

19. 化學鍵模型提供一個系統分析化學行為的架構，將分子視為由某種基本單位組成的化合物。舉例來說，典型的生物分子如蛋白質內含數百個原子，看起來真是複雜。

20. 但是如果我們將蛋白質看成是由五種獨立化學鍵C－C、C－H、C－N、C－O、N－H組成的物質，將會有助於瞭解與預測蛋白質的行為。基本概念是，每一個特定的化學鍵，不論在任何分子環境中，其行為都是一樣的。化學鍵模型讓化學家能夠有系統地地分析數百萬種化合物的反應模式。

21. 化學鍵的觀念在物理上也十分道理。原子們以共享電子鍵結，形成穩定的原子團。二原子互相鍵結的時候，他們的價電子由雙方的原子核一起吸引，使原子們進入比較低能量的狀態。

22. 在接下來的章節，鍵能數據將證明化學鍵不論在什麼樣的分子環境中，它的能量都是獨立的。有一點非常重要，化學鍵只是一個理論模型提出的觀念。

23. 雖然化學鍵的觀念能解釋許多分子的行為，但是有些分子應該看成一個整體，因為他們的電子能夠在整個分子內自由移動，這種現象稱為電子的非定域移動delocalization。

24. 摘要 模型的基本性質

模型是人為的發明，模型的基礎是人類對自然環境運作不甚完整的瞭解。因此模型不完全等於真實的情況。

模型與真實之間通常有誤差。因為模型來自於物質最重要的第一性質。模型奠基於推論，模型經常過度簡化事實。

模型出現的時間久遠就變得複雜。因為當我們發現模型的缺陷，我們就會去彌補缺陷，增加更多細節，使得年代久遠的模型變得複雜。

在使用模型去解釋現象或預測之前，有一點十分重要，那就是瞭解模型建立之初設定的假設前提。簡單的方法背後常常是非常嚴謹的假設，並且簡單的方法只能提供量化的資訊（簡化的資訊）。妄想用簡單的模型對物質做出一個複雜的解釋，如同妄想用浴室的磅秤精確地測量鑽石的重量一樣地不可能。

要有效地運用一個模型，必須瞭解這個模型的長處與短處，並且只問恰當的問題。有一個例子可以說明以上的觀點，解釋元素的電子組態的模型是原子的遞建原理aufbau principle。雖然這個模型正確地預測絕大多數元素的電子組態，但是鉻chromium和銅copper即不符合遞建原理的預測。

更仔細地研究發現，電子們之間複雜的交互作用造就鉻和銅最後的電子組態，由於遞建原理的原子模型十分簡單，沒有將電子之間複雜的交互作用考慮進去，因此預測的電子組態與實際不符。

但是這不代表我們應該丟掉這個能夠預測絕大多數原子的簡單模型。相反地，我們應該謹慎地應用它，不要預期這個模型對所有的原子都是正確的。

我們從有誤差的模型中學到的東西往往比從正確的模型還要多。如果一個模型會做出錯誤的預測，它代表我們沒有抓到自然的某些基本的性質。我們總是透過犯錯來學習。

n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》；圖片來源／Elmhurst.edu、Chem.shef.ac.uk