价键理论

随着物理学量子力学的发展，1927 年 Heitler 和 London 用量子力学来处理 H 原子形成 H2 分子的过程，他们得到了 H2 分子能量（E）与两个 H 原子核间距（r）的关系曲线，如图 3－2 所示。若原子 A 和原子 B 的两个电子自旋方向相反，则是图中下面的曲线。当 A 和 B 相接近时（即 r 值减小时）， H2 分子体系能量降低，这是因为 A 原子的核外电子不仅受到 A 原子核的吸引力，也受到了 B 原子核的吸引，同理 B 的电子既受 B 原子核的吸引，也受 A 原子核的吸引，也可以说是两个原子轨道发生了重叠，两核之间的电子云密度增大，体系能量降低。当 r=74pm 时，能量为最低值，r 更小时，则因两核之间库仑斥力增大，能量反而升高。即两核间距离为 74pm 时，形成了稳定的H2 分子，这和实验测定值相符。若 A 和 B 的电子自旋方向平行，E－r 曲线就不同了，如图 3－2 上部曲线所示。核间距 r 越小，能量越高，表示两个自旋

方向相同的氢原子不能形成 H2 分子。总之，价键理论继承了 Lewis 共用电子对的概念，但从量子力学的角度指出成键电子必须自旋相反，并且认为共价 键的本质是两个原子有自旋方向相反的未成对电子，它们的原子轨道发 生了重叠，使体系能量降低而成键。

按照价键理论，共价键具有饱和性和方向性。各原子都有确定的不成对电子，所以它的共价键数是一定的。如 H 和 Cl 都是 1 价，O 和 S 是 2 价， N 是 3 价，C 是 4 价等。按此推理，不同原子形成共价化合物时均有确定的原子比，如可以有 HCl，H2S，NH3 和 CH4 等共价化合物，但不可能有 HCl2 或 H4S 分子，这就是共价键的饱和性。另外，电子运动状态在空间分布是有一定取向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的，如 N 原子核外有 3 个未成电子， 其取向分别为 Px，Py，Pz。N2 分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是在 x，y，z 三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。共价键的饱和性和方向性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为 s2p6 结构，其电荷分布呈球形对称，所以它们可以从各个方向互相接触，并且尽可能多地和异性离子相接触（配位），配位数的多少决定于正负离子的大小。对离子化合物而言，无所谓成键的方向性，要考虑离子密堆积和空间利用率。NaCl 中，Cl-既然没有固定的配位数，也无所谓饱和性。

许多共价化合物如 H2O，HCl，NH3，CH4 等不论在气态、液态或固态都以

独立的分子形式存在，所以在状态变化时，不涉及化学键的变化，只是分子间作用力发生变化。它们和离子化合物相比，熔点、沸点就低得多，在液态时也没有带电的微粒，所以不导电，这类物质属分子型共价化合物。也有分子型的共价单质，如碘（I2）、磷（P4）和硫（S8）的单质都是多原子分子， 原子间有共价键，它们熔点、沸点也不高。

有些共价化合物是原子型的，如优质磨料金刚砂，它的化学式是碳化硅

（SiC），其结构和金刚石相似，如图 3－3 所示。其中一半 C 的位置为 Si 所取代，即每一个 C 原子以四面体向与 4 个 Si 原子相连。同样，每个 Si 原子也以四面体向与 4 个 C 原子相连，形成了 C 和 Si 相间的巨分子。这类原子型共价化合物和分子型共价化合物不同，它们的熔点很高，硬度也很大。因为要使它发生状态变化，将涉及 Si 和 C 之间的共价键的断裂，这是很不容易的。