微观世界 I（二）：共价键与分子结构
基础共价键是非金属原子共用电子对形成的化学键；简单分子物质分子间仅有微弱的范德华力，熔点低，而金刚石和二氧化矽等巨型共价物质须断开共价键才能熔化，极硬且熔点极高。
- 共价键＝非金属原子共用电子对，使最外层达八隅体
- 电子图速记：H₂ 单键、O₂ 双键、N₂ 三键、H₂O 两单键加两对孤对、CH₄ 四单键、CO₂ 两双键
- 简单分子物质：分子内共价键强、分子间范德华力弱，熔点低且不导电
文体小知识：科学知识说明文——以电子图讲解共价键如何由共用电子对形成，并比较简单分子物质与巨型共价物质的结构和性质差异。
§课文原文 Passage
1离子键靠电子转移把金属和非金属拉在一起；当两个非金属原子相遇，双方都不愿放弃电子，便改为共用：两个原子各提供一个电子组成共用电子对，同时受两个原子核吸引，把原子紧紧连住，这就是共价键。共用之后，各原子的最外层电子多数达到八隅体，与稀有气体一样稳定。
2用电子图可以清楚表达共价键：氢分子以一对共用电子形成单键；氧分子中两个氧共用两对电子，形成双键；氮分子更共用三对电子，形成三键。水的分子中，氧与每个氢各以一对电子结合；甲烷的碳与四个氢各成单键；二氧化碳则是碳分别与两个氧各形成一个双键。
3二氧化碳和碘等由一个个独立分子组成，属于简单分子物质。分子内的共价键很强，但分子之间只有微弱的范德华力，稍加热便可把分子拉开，因此这类物质熔点和沸点低，常温下多是气体或易挥发的液体，熔融时也不导电，因为整体没有自由移动的电荷。
4金刚石、石墨和石英（二氧化矽）则是巨型共价物质：无数原子靠共价键连成整块网络，熔化须断开大量强键，故熔点极高、硬度极大。金刚石中每个碳与四个碳相连，是自然界最硬的物质之一；石英坚硬耐热，用于制造耐热器皿。物质的性质，正是由其结构和键合决定。
1重点摘要 Summary
共价键是非金属原子共用电子对形成的化学键；简单分子物质分子间仅有微弱的范德华力，熔点低，而金刚石和二氧化矽等巨型共价物质须断开共价键才能熔化，极硬且熔点极高。
2生字卡 Vocabulary
两个非金属原子之间共用电子对而形成的化学键。
由两个原子各提供一个电子组成，同时受两个原子核吸引的电子对。
用点和叉表示各原子的最外层电子，展示分子内键合情况的图。
两个原子共用一对电子所形成的共价键，如水分子中的氢氧键。
两个原子共用两对电子所形成的共价键，如氧分子和二氧化碳中的键。
原子最外层有八个电子的稳定组态，与稀有气体相同。
由独立分子组成、分子间只有范德华力的物质，如二氧化碳和碘。
分子之间微弱的吸引力，强度远低于共价键，决定简单分子物质的低熔点。
无数原子以共价键连成整块网络的结构，如金刚石和石英。
二氧化矽的矿物名称，巨型共价结构，坚硬而耐热。
3逐步讲解 Steps
- 第一步：非金属原子怎样握手两个非金属原子都需要更多电子来补满最外层，谁也不肯把电子让出去，唯一的办法是各拿一个电子出来共用。举个例子：两个氢原子各有一个电子，共用之后，每个氢都仿佛拥有两个电子，像氦一样稳定，于是结成氢分子。共用电子对同时受两个带正电的原子核吸引，便像一双手把两个原子牢牢握住，这对共用电子就是共价键。
- 第二步：用电子图画单键分子电子图用点和叉分别表示来自不同原子的最外层电子，画时先数清各原子的价电子。以水为例：氧有六个最外层电子，氢各有一个，氧分别与两个氢共用一对电子，形成两个单键，氧本身还留有两对不参与键合的孤对电子。再以甲烷为例：碳有四个价电子，与四个氢各成一根单键，碳周围凑足八个电子。画图时每对共用电子要画在两个原子之间，不可遗漏孤对电子。
- 第三步：双键与三键有些原子需要共用多对电子才能补满最外层。氧原子的价电子是六个，单靠一根单键只差两个电子，于是两个氧原子共用两对电子，形成双键，氧分子 O₂ 便这样组成。举个例子：二氧化碳中，碳有四个价电子，分别与两个氧各共用两对电子，即两个双键，三方都满足八隅体。氮原子价电子五个，各缺三个，两个氮便共用三对电子形成三键，N₂ 的键因此非常牢固，氮气化学性质十分不活泼。
- 第四步：简单分子物质为何熔点低二氧化碳、碘和干冰等由一个个独立分子组成，每个分子内部的共价键很强，但分子与分子之间只有微弱的范德华力。加热熔化时，分子并没有被拆散，只是彼此拉开距离，须克服的仅是微弱的分子间引力，用很少能量便足够。举个例子：一副扑克牌，每张牌很难撕烂（共价键强），但整叠牌轻轻一推便散开（范德华力弱）。所以这类物质熔点低，二氧化碳常温下是气体。
- 第五步：巨型共价物质的钢筋网金刚石、石墨和石英属于另一类：没有独立的分子，无数原子以共价键连成一大块网络，称为巨型共价结构。金刚石中每个碳原子与周围四个碳以单键相连，向四面八方延伸；石英中每个矽与四个氧相连，结构同样坚固。要熔化这类物质，须同时断开大量强共价键，能量需求极大，所以熔点极高、硬度极大。举个例子：金刚石是自然界最硬的物质之一，玻璃刀上镶一小粒便可以划开玻璃。
- 第六步：二氧化碳气体，二氧化矽固体二氧化碳与二氧化矽都由碳或矽与氧组成，性质却天差地别，关键在结构类型不同。CO₂ 是简单分子物质，每个分子独立存在，分子间仅有范德华力，常温下稍加热便汽化，所以是气体。SiO₂ 是巨型共价物质，矽氧之间的共价键贯穿整块晶体，熔化须断开这些强键，熔点超过一千五百度，是坚硬的固体。举个例子：汽水里溶的是 CO₂ 气体，而沙粒和石英的主要成分正是 SiO₂。
- 第七步：简单分子物质不导电的原因导电需要自由移动的电荷，简单分子物质两样皆无：分子内的电子被共价键牢牢锁住，不能自由流动，分子又不会离解出离子，所以固态、液态以至溶解后多半都不导电。举个例子：蒸馏水和蔗糖溶液都不导电，与食盐水能导电形成对照，后者是离子化合物，溶于水后有自由离子。答题时要把「没有自由移动的电荷」写全，这句是得分关键，只写「没有离子」并不完整。
4图解 Diagrams
5例题示范 Example
资料题：三位同学分别为水、二氧化碳和甲烷绘画电子图，其后讨论为何二氧化碳在常温下是气体，而成分相近的石英（二氧化矽）却是坚硬的固体。试写出三种分子中各键的类型，并解释两者性质差异的原因。
- 数价电子：氢一个、氧六个、碳四个；水分子中氧与每个氢共用一对电子，形成两个单键，氧另留两对孤对电子
- 二氧化碳中碳分别与两个氧各共用两对电子，形成两个双键，共四对共用电子，三方都达八隅体
- 甲烷中碳与四个氢各成一根单键，共四个单键；三种分子都靠共用电子对满足最外层
- CO₂ 是简单分子物质：熔化汽化只须克服分子间微弱的范德华力，常温下是气体
- SiO₂ 是巨型共价物质：矽氧共价键贯穿整块晶体，熔化须断开大量强键，故熔点极高、硬度极大
- 答案：水分子含两个氧氢单键（氧另有两对孤对电子）；二氧化碳含两个碳氧双键，共四对共用电子；甲烷含四个碳氢单键。二氧化碳与二氧化矽虽然同样含共价键，但结构类型不同：CO₂ 由独立分子组成，分子间只有微弱的范德华力，稍加热便拉开分子，所以常温下是气体；SiO₂ 是巨型共价结构，共价键贯穿整块晶体，熔化须断开大量强共价键，所以熔点极高，是坚硬的固体。
6常见错误 Mistakes
75 题快测 Quick check
Q1甚么是共价键？
Q2一个二氧化碳分子共有几对共用电子？
Q3为何二氧化碳常温下是气体，二氧化矽却是高熔点固体？
Q4试举出两种巨型共价物质。
Q5简单分子物质为何不导电？
8重点回顾 Recap
- 共价键＝非金属原子共用电子对，使最外层达八隅体
- 电子图速记：H₂ 单键、O₂ 双键、N₂ 三键、H₂O 两单键加两对孤对、CH₄ 四单键、CO₂ 两双键
- 简单分子物质：分子内共价键强、分子间范德华力弱，熔点低且不导电
- 巨型共价物质（金刚石、石墨、石英）：极硬、熔点极高，熔化须断共价键
- CO₂ 常温气体而 SiO₂ 是坚硬固体，全因简单分子结构与巨型共价结构之别