微觀世界 I（二）：共價鍵與分子結構
基礎共價鍵是非金屬原子共用電子對形成的化學鍵；簡單分子物質分子間僅有微弱的范德華力，熔點低，而金剛石和二氧化矽等巨型共價物質須斷開共價鍵才能熔化，極硬且熔點極高。
- 共價鍵＝非金屬原子共用電子對，使最外層達八隅體
- 電子圖速記：H₂ 單鍵、O₂ 雙鍵、N₂ 三鍵、H₂O 兩單鍵加兩對孤對、CH₄ 四單鍵、CO₂ 兩雙鍵
- 簡單分子物質：分子內共價鍵強、分子間范德華力弱，熔點低且不導電
文體小知識：科學知識說明文——以電子圖講解共價鍵如何由共用電子對形成，並比較簡單分子物質與巨型共價物質的結構和性質差異。
§課文原文 Passage
1離子鍵靠電子轉移把金屬和非金屬拉在一起；當兩個非金屬原子相遇，雙方都不願放棄電子，便改為共用：兩個原子各提供一個電子組成共用電子對，同時受兩個原子核吸引，把原子緊緊連住，這就是共價鍵。共用之後，各原子的最外層電子多數達到八隅體，與稀有氣體一樣穩定。
2用電子圖可以清楚表達共價鍵：氫分子以一對共用電子形成單鍵；氧分子中兩個氧共用兩對電子，形成雙鍵；氮分子更共用三對電子，形成三鍵。水的分子中，氧與每個氫各以一對電子結合；甲烷的碳與四個氫各成單鍵；二氧化碳則是碳分別與兩個氧各形成一個雙鍵。
3二氧化碳和碘等由一個個獨立分子組成，屬於簡單分子物質。分子內的共價鍵很強，但分子之間只有微弱的范德華力，稍加熱便可把分子拉開，因此這類物質熔點和沸點低，常溫下多是氣體或易揮發的液體，熔融時也不導電，因為整體沒有自由移動的電荷。
4金剛石、石墨和石英（二氧化矽）則是巨型共價物質：無數原子靠共價鍵連成整塊網絡，熔化須斷開大量強鍵，故熔點極高、硬度極大。金剛石中每個碳與四個碳相連，是自然界最硬的物質之一；石英堅硬耐熱，用於製造耐熱器皿。物質的性質，正是由其結構和鍵合決定。
1重點摘要 Summary
共價鍵是非金屬原子共用電子對形成的化學鍵；簡單分子物質分子間僅有微弱的范德華力，熔點低，而金剛石和二氧化矽等巨型共價物質須斷開共價鍵才能熔化，極硬且熔點極高。
2生字卡 Vocabulary
兩個非金屬原子之間共用電子對而形成的化學鍵。
由兩個原子各提供一個電子組成，同時受兩個原子核吸引的電子對。
用點和叉表示各原子的最外層電子，展示分子內鍵合情況的圖。
兩個原子共用一對電子所形成的共價鍵，如水分子中的氫氧鍵。
兩個原子共用兩對電子所形成的共價鍵，如氧分子和二氧化碳中的鍵。
原子最外層有八個電子的穩定組態，與稀有氣體相同。
由獨立分子組成、分子間只有范德華力的物質，如二氧化碳和碘。
分子之間微弱的吸引力，強度遠低於共價鍵，決定簡單分子物質的低熔點。
無數原子以共價鍵連成整塊網絡的結構，如金剛石和石英。
二氧化矽的礦物名稱，巨型共價結構，堅硬而耐熱。
3逐步講解 Steps
- 第一步：非金屬原子怎樣握手兩個非金屬原子都需要更多電子來補滿最外層，誰也不肯把電子讓出去，唯一的辦法是各拿一個電子出來共用。舉個例子：兩個氫原子各有一個電子，共用之後，每個氫都彷彿擁有兩個電子，像氦一樣穩定，於是結成氫分子。共用電子對同時受兩個帶正電的原子核吸引，便像一雙手把兩個原子牢牢握住，這對共用電子就是共價鍵。
- 第二步：用電子圖畫單鍵分子電子圖用點和叉分別表示來自不同原子的最外層電子，畫時先數清各原子的價電子。以水為例：氧有六個最外層電子，氫各有一個，氧分別與兩個氫共用一對電子，形成兩個單鍵，氧本身還留有兩對不參與鍵合的孤對電子。再以甲烷為例：碳有四個價電子，與四個氫各成一根單鍵，碳周圍湊足八個電子。畫圖時每對共用電子要畫在兩個原子之間，不可遺漏孤對電子。
- 第三步：雙鍵與三鍵有些原子需要共用多對電子才能補滿最外層。氧原子的價電子是六個，單靠一根單鍵只差兩個電子，於是兩個氧原子共用兩對電子，形成雙鍵，氧分子 O₂ 便這樣組成。舉個例子：二氧化碳中，碳有四個價電子，分別與兩個氧各共用兩對電子，即兩個雙鍵，三方都滿足八隅體。氮原子價電子五個，各缺三個，兩個氮便共用三對電子形成三鍵，N₂ 的鍵因此非常牢固，氮氣化學性質十分不活潑。
- 第四步：簡單分子物質為何熔點低二氧化碳、碘和乾冰等由一個個獨立分子組成，每個分子內部的共價鍵很強，但分子與分子之間只有微弱的范德華力。加熱熔化時，分子並沒有被拆散，只是彼此拉開距離，須克服的僅是微弱的分子間引力，用很少能量便足夠。舉個例子：一副撲克牌，每張牌很難撕爛（共價鍵強），但整疊牌輕輕一推便散開（范德華力弱）。所以這類物質熔點低，二氧化碳常溫下是氣體。
- 第五步：巨型共價物質的鋼筋網金剛石、石墨和石英屬於另一類：沒有獨立的分子，無數原子以共價鍵連成一大塊網絡，稱為巨型共價結構。金剛石中每個碳原子與周圍四個碳以單鍵相連，向四面八方延伸；石英中每個矽與四個氧相連，結構同樣堅固。要熔化這類物質，須同時斷開大量強共價鍵，能量需求極大，所以熔點極高、硬度極大。舉個例子：金剛石是自然界最硬的物質之一，玻璃刀上鑲一小粒便可以劃開玻璃。
- 第六步：二氧化碳氣體，二氧化矽固體二氧化碳與二氧化矽都由碳或矽與氧組成，性質卻天差地別，關鍵在結構類型不同。CO₂ 是簡單分子物質，每個分子獨立存在，分子間僅有范德華力，常溫下稍加熱便汽化，所以是氣體。SiO₂ 是巨型共價物質，矽氧之間的共價鍵貫穿整塊晶體，熔化須斷開這些強鍵，熔點超過一千五百度，是堅硬的固體。舉個例子：汽水裡溶的是 CO₂ 氣體，而沙粒和石英的主要成分正是 SiO₂。
- 第七步：簡單分子物質不導電的原因導電需要自由移動的電荷，簡單分子物質兩樣皆無：分子內的電子被共價鍵牢牢鎖住，不能自由流動，分子又不會離解出離子，所以固態、液態以至溶解後多半都不導電。舉個例子：蒸餾水和蔗糖溶液都不導電，與食鹽水能導電形成對照，後者是離子化合物，溶於水後有自由離子。答題時要把「沒有自由移動的電荷」寫全，這句是得分關鍵，只寫「沒有離子」並不完整。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
資料題：三位同學分別為水、二氧化碳和甲烷繪畫電子圖，其後討論為何二氧化碳在常溫下是氣體，而成分相近的石英（二氧化矽）卻是堅硬的固體。試寫出三種分子中各鍵的類型，並解釋兩者性質差異的原因。
- 數價電子：氫一個、氧六個、碳四個；水分子中氧與每個氫共用一對電子，形成兩個單鍵，氧另留兩對孤對電子
- 二氧化碳中碳分別與兩個氧各共用兩對電子，形成兩個雙鍵，共四對共用電子，三方都達八隅體
- 甲烷中碳與四個氫各成一根單鍵，共四個單鍵；三種分子都靠共用電子對滿足最外層
- CO₂ 是簡單分子物質：熔化汽化只須克服分子間微弱的范德華力，常溫下是氣體
- SiO₂ 是巨型共價物質：矽氧共價鍵貫穿整塊晶體，熔化須斷開大量強鍵，故熔點極高、硬度極大
- 答案：水分子含兩個氧氫單鍵（氧另有兩對孤對電子）；二氧化碳含兩個碳氧雙鍵，共四對共用電子；甲烷含四個碳氫單鍵。二氧化碳與二氧化矽雖然同樣含共價鍵，但結構類型不同：CO₂ 由獨立分子組成，分子間只有微弱的范德華力，稍加熱便拉開分子，所以常溫下是氣體；SiO₂ 是巨型共價結構，共價鍵貫穿整塊晶體，熔化須斷開大量強共價鍵，所以熔點極高，是堅硬的固體。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1甚麼是共價鍵？
Q2一個二氧化碳分子共有幾對共用電子？
Q3為何二氧化碳常溫下是氣體，二氧化矽卻是高熔點固體？
Q4試舉出兩種巨型共價物質。
Q5簡單分子物質為何不導電？
8重點回顧 Recap
- 共價鍵＝非金屬原子共用電子對，使最外層達八隅體
- 電子圖速記：H₂ 單鍵、O₂ 雙鍵、N₂ 三鍵、H₂O 兩單鍵加兩對孤對、CH₄ 四單鍵、CO₂ 兩雙鍵
- 簡單分子物質：分子內共價鍵強、分子間范德華力弱，熔點低且不導電
- 巨型共價物質（金剛石、石墨、石英）：極硬、熔點極高，熔化須斷共價鍵
- CO₂ 常溫氣體而 SiO₂ 是堅硬固體，全因簡單分子結構與巨型共價結構之別