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共價化合物
以共價鍵結(jié)合形成的化合物
基本信息
| 中文名 | 共價化合物 |
| 外文名 | covalent compound |
| 釋義 | 主要以共價鍵結(jié)合形成的化合物 |
| 特性 | 共價化合物的熔點、沸點較低，難溶于水，熔融狀態(tài)下不導(dǎo)電，硬度較小 |
| 提出者 | 美國化學(xué)家路易斯 |
| 性質(zhì) | 熔融狀態(tài)下不導(dǎo)電 |
| 原子結(jié)合方式 | 原子之間通過共用電子對所形成的化學(xué)鍵 |
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化學(xué)性質(zhì)
化學(xué)變化的本質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的形成，化學(xué)反應(yīng)中，共價鍵存在兩種斷裂方式，在化學(xué)反應(yīng)尤其是有機(jī)化學(xué)中有重要影響。
均裂與自由基反應(yīng)
共價鍵在發(fā)生均裂時，成鍵電子平均分給兩個原子（團(tuán)），均裂產(chǎn)生的帶單電子的原子（團(tuán)）稱為自由基，用“R·”表示，自由基具有反應(yīng)活性，能參與化學(xué)反應(yīng)，自由基反應(yīng)一般在光或熱的作用下進(jìn)行。
異裂與離子型反應(yīng)
共價鍵發(fā)生異裂時生成正、負(fù)離子，例如氯化氫在水中電離成氫離子和氯離子。有機(jī)物共價鍵異裂生成的碳正離子和負(fù)離子是有機(jī)反應(yīng)的活潑物種，往往在生成的一瞬間就參加反應(yīng)，但可以證明其存在。
共價化合物
離子型反應(yīng)一般在酸堿或極性物質(zhì)的催化下進(jìn)行。
性質(zhì)說明
一
像氯化氫那樣，以共用電子對(或共價鍵)結(jié)合在一起的化合物，叫做共價化合物。如水H2O、二氧化碳CO2、NH3等都是常見的共價化合物。共價化合物一般都是分子晶體，像氯化鋁AlCl3是共價化合物。（氯化汞，碘化銀也是共價化合物）
共價化合物中一定含有至少一個共價鍵，且一定沒有離子鍵！
共價化合物大多是分子晶體，故又叫分子化合物。
分子化合物一定是共價化合物。共價化合物包括分子化合物和原子化合物
二
共價化合物的分子是原子間以共用電子對所形成的
。兩種非金屬元素原子（或不活潑金屬元素和非金屬元素）化合時，原子間各出一個或多個電子形成電子對，這個電子對受兩種元素原子的原子核的共同吸引，為兩種元素原子所共有，使兩種元素的原子形成化合物分子。例如，氯化氫是氫原子和氯原子各以最外層一個電子形成一個共用電子對而組成的化合物分子。非金屬氫化物（如HCl、H2O、NH3等）、非金屬氧化物（如CO2、SO3等）、無水酸（如H2SO4、HNO3等）、大多數(shù)有機(jī)化合物（如甲烷、酒精、蔗糖等）都是共價化合物。多數(shù)共價化合物在固態(tài)時，熔點、沸點較低，硬度較小。
當(dāng)兩種非金屬元素的原子形成分子時，由于兩個原子都有通過得電子形成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的趨勢，它們得電子的能力差不多，誰也不能把對方的電子奪過來，這樣兩個原子只能各提供一個電子形成共用電子對，在兩個原子的核外空間運動，電子帶負(fù)電，原子核帶正電。兩個原子的原子核同時吸引共用電子對，產(chǎn)生作用力，從而形成了一個分子。
比較典型的共價化合物是水、氯化氫以及二氧化碳。共用電子對總是偏向氧原子的一方，偏離氫原子的一方。不同同種元素的原子間形成的叫極性共價鍵，一般共價化合物都是極性的共價化合物。共價化合物一般硬度小，熔沸點低。
某些單質(zhì)的分子也是依靠共用電子對形成的。例如氯氣的分子就是由兩個氯原子各提供一個電子形成共用電子對，電子對同時受兩個原子核的作用形成氯分子。由于同種原子吸引電子能力相仿，電子對不偏向任何一方。同種元素的原子間形成的叫非極性共價鍵，共用電子對在成鍵兩原子的中間，不向任何一方偏轉(zhuǎn)。
早期
恩培多克勒（Empedocles）認(rèn)為，世界由“氣、水、土、火”這四種元素組成，這四種元素在“愛”和“恨”的作用下分裂并以新的排列重新組合時，物質(zhì)就發(fā)生了質(zhì)的變化。這種作用力可以被看成是最早的化學(xué)鍵思想。
隨后，原子論者德謨克利特設(shè)想，原子與原子間，存在著一種“鉤子”，也可以說是粗糙的表面，以致它們在相互碰撞時黏在一起，構(gòu)成了一個穩(wěn)定的聚集體。德謨克利特對化學(xué)鍵的設(shè)想相比于之前的自然哲學(xué)家，是更加先進(jìn)的，他剔除了此類設(shè)想中的唯心主義因素。
中世紀(jì)的J.R.格勞伯則提出了物質(zhì)同類相親、異類相斥的思想。其后還出現(xiàn)了關(guān)于物質(zhì)結(jié)合的親和力說，認(rèn)為物質(zhì)的微粒具有親和力，由此互相吸引而結(jié)合在一起?？傊?，人們關(guān)于化學(xué)鍵朦朧的認(rèn)識，啟發(fā)了后來的化學(xué)家。
18世紀(jì)，燃素（phologiston）的概念進(jìn)入了化學(xué)，并為恩斯特·施塔爾（Ernst Stahl）、亨利·卡文迪許（HenryCavendish）和約瑟夫·普利斯特里（Joseph Priestley）等先進(jìn)的化學(xué)家所接受。當(dāng)時，牛頓力學(xué)已經(jīng)提出，他們希望把原子間的作用力和牛頓力學(xué)結(jié)合起來，給出經(jīng)典物理學(xué)的解釋，但限于當(dāng)時的條件，這無疑是無法完成的。
1916年，德國化學(xué)家阿爾布雷西特·柯塞爾（A.Kossel）在考察大量事實后得出結(jié)論：任何元素的原子都要使最外層滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但柯塞爾只解釋了離子化合物的形成過程，并沒有解釋共價鍵的形成。
“（原文）we shall denote by the termcovalencethe number of pairs of electrons which a given atom shares with its neighbors”（我們應(yīng)該用“共價”一詞表示原子間通過共用電子對形成的作用力）
1922年，尼爾斯·玻爾（N.Bohr）從量子化的角度重新審視了盧瑟福的核式模型，這為化學(xué)家對化學(xué)鍵的認(rèn)識，提供了全新的平臺，他認(rèn)為電子應(yīng)該位于確定的軌道之中，并且能夠在不同軌道之間躍遷，定態(tài)躍遷可以很好的解釋氫原子光譜的各個譜線。
1923年，美國化學(xué)家吉爾伯特·路易斯（G.N.Lewis）發(fā)展了柯塞爾的理論，提出共價鍵的電子對理論。路易斯假設(shè)：該分子中來自于一個原子的一個電子與另一個原子的一個電子以“電子對”的形式形成原子間的化學(xué)鍵。這在當(dāng)時是一個有悖于正統(tǒng)理論的假設(shè)，因為庫侖定律表明，兩個電子間是相互排斥的，但路易斯這種設(shè)想很快就為化學(xué)界所接受，并導(dǎo)致原子間電子自旋相反假設(shè)的提出。
1924年，路易斯·德布羅意（Louis de Broglie）提出波粒二象性的假說，建立了一個原子的數(shù)學(xué)模型，用來將電子描述為一個三維波形。在數(shù)學(xué)上不能夠同時得到位置和動量的精確值。
1927年，沃爾特·海特勒（W.H.Heitler）和弗里茨·倫敦（F.London）用量子力學(xué)處理氫分子，用近似方法算出了氫分子體系的波函數(shù)，首次用量子力學(xué)方法解決共價鍵問題。價鍵理論在這一方法的推廣中誕生，他們研究共價鍵的方法就被稱為HL法。
1928年，恩利克·費米（Enrica Fermi）提出了一個基于泊松分布的單電子密度模型試圖解決原子結(jié)構(gòu)問題。之后，道格拉斯·哈特里（Douglas Rayner Hartree）運用迭代法，將體系電子的哈密頓算子分解為若干個單電子哈密頓算子的簡單加和，進(jìn)而將體系多電子波函數(shù)表示為單電子波函數(shù)的積，改進(jìn)這一模型，提出哈特里方程。
1930年，哈特里的學(xué)生?？耍‵ock）與約翰·斯萊特（John Clarke Slater）完善了哈特里方程，稱為哈特里-?？朔匠蹋?/span>HF）。50年代初，斯萊特得到了HF的近似波函數(shù)：哈特里-?？?斯萊特方程（HFS）。1963年，赫爾曼（F.Hermann）和斯基爾曼（S.Skillman）把HFS應(yīng)用于基態(tài)原子函數(shù)。
1950年，克萊蒙斯·羅瑟恩(C. C. J. Roothaan）進(jìn)一步提出將方程中的分子軌道用組成分子的原子軌道線性展開，發(fā)展出了著名的RHF方程，1964年，計算機(jī)化學(xué)家恩里克·克萊門蒂（E.Clementi）發(fā)表了大量的RHF波函數(shù)，該方程以及后續(xù)的改進(jìn)版已經(jīng)成為現(xiàn)代處理量子化學(xué)問題的主要方法。
1930年，美國化學(xué)家萊納斯·鮑林（L.C.Pauling）在研究碳的正四面體構(gòu)形時提出軌道雜化理論，認(rèn)為：能級相近的軌道在受激時可以發(fā)生雜化，形成新的簡并軌道，其理論依據(jù)就是電子的波粒二象性，而波是可以疊加的。他計算出了多種雜化軌道的形狀，并因在價鍵理論方面的突出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾化學(xué)獎。
同年，美國化學(xué)家羅伯特·馬利肯（RobertS.Mulliken）提出分子軌道理論。認(rèn)為化合物中的電子不屬于某個原子，而是在整個分子內(nèi)運動。他的方法和經(jīng)典化學(xué)相距太遠(yuǎn)，計算又很繁瑣，一時不被化學(xué)界所接受。后經(jīng)過羅伯特·密立根（Robert A.Millikan）、菲利普·倫納德（Philipp Lenard）、埃里?！ば菘藸枺‥rich Hückel）等人的完善，在化學(xué)界逐漸得到認(rèn)可。
1940年，亨利·希吉維克（H.Sidgwick）和托馬斯·坡維爾（Thomas A.Powell）在總結(jié)實驗事實的基礎(chǔ)上提出了一種簡單的理論模型，用以預(yù)測簡單分子或離子的立體結(jié)構(gòu)。這種理論模型后經(jīng)羅納德·吉列斯比（R.J.Gillespie）和羅納德·尼霍爾姆（R.S.Nyholm）在20世紀(jì)50年代加以發(fā)展，定名為價層電子對互斥理論，簡稱VSEPR。VSEPR與軌道雜化理論相結(jié)合，可以半定量地推測分子的成鍵方式與分子結(jié)構(gòu)。
1951年，福井謙一提出前線軌道理論，認(rèn)為，分子中能量最高的分子軌道（HOMO）和沒有被電子占據(jù)的，能量最低的分子軌道（LUMO）是決定一個體系發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵，其他能量的分子軌道對于化學(xué)反應(yīng)雖然有影響但是影響很小，可以暫時忽略。HOMO和LUMO便是所謂前線軌道。
由于計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，和蒙特卡羅方法的應(yīng)用，量子化學(xué)與計算機(jī)化學(xué)日新月異，對分子結(jié)構(gòu)的推算變得愈發(fā)精確期間也誕生了一大批優(yōu)秀的化學(xué)家，據(jù)估計，20世紀(jì)中期，量子化學(xué)還將有新的突破.
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