是什麼原因使你看到在周圍環境的物體各不相同?是什麼原因令物件的顏色、形狀、氣味和口味各不相同呢?為什麼有些物質是柔軟,而另一種卻是堅硬,又或者在常溫下呈現流體?您已閱讀直至目前為止,您可能會對這些問題作出回答:「他們之間的分別原因是原子的存在。」然而,這個答案是不足夠的,如果原子就是唯一的原因,那麼將需要數十億不同的原子以產生不同的性質。在實踐中,事實並非如此。許多材料包含相同的原子,然而外觀各不相同,並擁有不同的屬性。這種情況的原因是原子以不同的化學鍵形式聯結成為分子。
考慮關於任何物體,繼原子的層次以後,第二個層次就是分子。分子是最小的單位以確定物質的化學性質。這些細小結構由兩個或以上的原子組成,或者包含數以千計的原子結構。原子一併舉行內分子的化學鍵決定由電磁力的吸引力,這意味著形成分子的基礎是原子的電荷。原子的電荷,反過來說,由原子最外層殼的電子所決定。分子排列的不同組合,產生我們所看到身邊的多樣性面貌。化學鍵的重要性反映在物質的多樣性方面,在這一點來說是顯然易見的。
化學鍵
正如上文提及,化學鍵的形成是通過原子中的電子在最外層的排列。每個原子均有一個趨勢,以填補其最外層殼的電子數目。原子最外層殼最多可容納八個電子。無論原子接收電子還是從其他原子放出子,以填滿其最外層殼,他們也是將較小數目的電子給予另一個原子,使外殼完成填滿最外層。原子之間交換電子趨勢的形式構成化學鍵。
原子提高其最外層殼電子數的趨勢,構成原子之間三種類型的化學鍵。這些化學鍵分別稱為離子鍵、共價鍵和金屬鍵。
常見的,根據一般我們所稱為「弱鍵」的特殊化學鍵作用於分子之間。這些鍵弱於原子之間的化學鍵,因為分子的構成需要更多的彈性結構。
現在讓我們了解這些化學鍵的特性以及如何形成。
離子鍵
原子透過去掉在其最外層的電子以達到八隅狀態。原子在其最外層有4個電子的情況,將電子給予所要結合的原子。原子在其最外層殼有4個電子或以上的情況,將會從其他原子接收電子。分子以這種類型的鍵所形成的結構呈現晶體(立方)結構。我們所熟悉的食鹽(氯化鈉)就是離子鍵所形成。為什麼原子有這樣的傾向?如果他們沒有這樣的傾向,將會發生什麼事情?
時至今日,原子之間所形成的化學鍵亦只能在一般的意義下界定。原子之間的鍵合至今仍未被清楚理解。原子最外層的電子數目是否由個別原子所決定?答案是否定的。這是一個必然的物理現象,而並非由外界的智力、意志或意識所決定。這個電子數目是原子構成分子的關鍵,最後創造最終的宇宙模式。如果原子並沒有這種構成鍵的傾向,分子抑或是物質將不存在。由第一刻開始,原子在這樣的一個完美方式之下,創造了分子,我們應該對這一個鍵合趨勢予以感謝。
共價鍵
科學家在研究原子之間的化學鍵,面臨一個有趣的情況。雖然有些原子交換電子以鍵合,但是仍有一部分原子依靠最外層殼分享電子的模式。進一步研究顯示,許多研究人員認為構成生命的分子,亦是由共價鍵以存在。
讓我們舉一個簡單的例子來解釋共價鍵的好處。正如我們前面提及有關最外層電子層殼的介紹,原子在第一層可以容納兩個電子。氫原子有一個電子並具有一種趨勢以增加至兩個電子,成為穩定的原子。因此,氫原子形成一個共價鍵與第二個氫原子。那就是,兩個氫原子分享對方的電子。因此,構成氫氣的分子就此形成。
金屬鍵
如果有大量的原子排列,分享對方的電子,這稱為「金屬鍵」。例如鐵、銅、鋅、鋁等金屬,日常生活中以生產各種形式的工具和器具的原料,由於金屬鍵以形成金屬的優良性質。
科學家仍然未能解釋為何電子在電子殼外層擁有這樣的排列組合的傾向。最有趣的是所有生物體均是由於原子的這種傾向而形成。
下一步: 化合物
你是否知道化學鍵能夠形成多少種不同形式的化合物?
每天均有各類化合物在實驗室中合成。目前,化合物的數量幾乎可以說有接近2百萬種。最簡單的化合物由氫分子組成,複雜的化合物則是由數以百萬計的原子組成。
元素可以有多少種不同的形式而形成化合物?這個問題的答案相當有趣,一方面,惰性氣體甚少與其化元素化合,另一方面,碳元素卻能藉著不同的組合,產生接近1,700,000 種化合物。正如上文所述,化合物的總數約兩百萬種。在109種元素之中,108種元素組成三十萬種化合物。然而,碳元素通過不同的組合以形成1,700,000種不同的化合物,是所有元素之中具有最多種不同的組合方法。
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