# 共价键

> IB 化学 SL · IB SL 化学 2025 大纲
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-covalent-bonding/

本模块讲解共价键的基础内容，非金属原子通过共用价电子形成稳定化合物。你将学习键的性质、如何绘制路易斯结构，以及识别八隅体规则的常见例外。

**先修:** [价电子和电子构型](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-electron-configuration/)

## 学习目标

- 描述非金属原子之间共价键形成的本质
- 建立键级与键长、键焓的关系
- 为简单分子和多原子离子画出正确的路易斯结构
- 识别八隅体规则的常见例外

## 共价键的本质

当两个非金属原子共用价电子以获得稳定的全外层电子壳时，就会形成共价键。成键原子带正电的原子核与带负电的共用电子对之间的静电吸引将键结合在一起。

**共价键** — 由共用电子对与两个成键非金属原子核之间的静电吸引形成的化学键

*记法:* 一对共用电子对用单横线（-）表示

*例:* $H_2$中两个氢原子之间的单共价键

**例题:** 解释为什么两个氢原子会形成稳定的共价键，而不是保持独立原子。

1. 每个氢原子有1个价电子，需要再获得1个电子来填满1s轨道（第一能级最多可容纳2个电子）。
2. 当两个H原子靠近时，每个电子都会被对方带正电的原子核吸引。
3. 两个原子共用两个电子，使每个原子都拥有全满价层。原子核与共用电子之间的净静电吸引形成了稳定的$H_2$分子。

*计算器:* forbidden

## 键级、键长和键焓

键级描述了两个原子之间共用电子对的数量，它直接决定了两个关键的键性质：键长和键焓（键强度）。

**键级** — 两个原子之间共用的共价成键对数量：单键 = 1，双键 = 2，三键 = 3

- 随着键级增加，更多的共用电子会增强原子核之间的静电吸引
- 更强的吸引力将原子核拉得更近，因此**键长随键级增加而减小**
- 吸引力越强，断开键需要的能量越多，因此**键焓随键级增加而增加**

**例题:** 将下列碳碳键按键焓从小到大排列，并解释你的答案：乙烷中的C-C、乙烯中的C=C、乙炔中的C≡C。

1. 首先确定每个键的键级：C-C = 1，C=C = 2，C≡C = 3。
2. 键焓随键级增加而升高，因为更高的键级意味着更多的共用电子对，碳原子核与共用电子之间的静电吸引更强。
3. 键焓从小到大排列：$\text{C-C} < \text{C=C} < \text{C≡C}$

> **tip**
>
> 键长和键焓的反比关系是本主题卷1最常考的知识点之一。

*计算器:* forbidden

## 绘制路易斯结构

路易斯结构显示了共价分子或多原子离子中所有的价电子，区分成键（共用）电子和非成键（孤对）电子。

**考试命令词**

- **Draw** — 画出所有原子、键和孤对电子 *(通常总分2分：连接性1分，所有孤对1分)*

- **State** — 说出成键/孤对的数量，不需要画图

1. 计算总价电子数：离子每带一个负电荷加1个电子，每带一个正电荷减1个电子
2. 排列原子：电负性最低的原子（氢除外）是中心原子
3. 在每对相连原子之间画一个单键
4. 将剩余电子作为孤对分配，先从端基原子开始，再到中心原子
5. 如果中心原子需要满足八隅体，将端基孤对转换为多重键

**例题:** 画出碳酸根离子$\text{CO}_3^{2-}$的路易斯结构。

1. 计算总价电子数：C有4个，每个O有6个，加上2-电荷的2个电子。总价电子数：$4 + (3 \times 6) + 2 = 24$个电子。
2. C的电负性最低，因此它是与3个O原子成键的中心原子。三个单键用掉6个电子，剩余18个电子。
3. 给每个端基O原子添加3个孤对（6个电子），刚好用完所有剩余的18个电子。
4. 中心C只有6个电子。将一个O的孤对转换为成键对，形成C=O双键。现在所有原子都满足八隅体。
5. 将结构放在方括号内，并在右上角添加2-电荷。

*计算器:* forbidden

## 八隅体规则的例外

八隅体规则指出，主族原子倾向于共用电子直到它们拥有8个价电子，但共价键中存在三类常见的例外情况。

**八隅体规则** — 主族原子在共价化合物中达到具有8个价电子的稀有气体电子构型的通用规则

- **不完全八隅体**：中心原子的电子数 < 8（常见于Be、B、Al）
- **扩展八隅体**：中心原子的电子数 > 8，仅对第3周期及以上具有空d轨道的元素成立
- **奇电子物种**：带有未成对电子的自由基无法让所有原子都满足全八隅体

**例题:** 解释为什么五氯化磷（$PCl_5$）是八隅体规则的例外。

1. 计算总价电子数：P有5个，每个Cl有7个：总价电子数 = $5 + (5 \times 7) = 40$个电子。
2. P是与5个Cl原子成键的中心原子，因此P周围有10个成键电子。
3. 每个Cl有3个孤对，因此总用电子数：$10 + (5 \times 6) = 40$，与总价电子数一致。
4. 磷位于第3周期，因此它有空的3d轨道，可以容纳超过8个价电子。这属于扩展八隅体例外。

*计算器:* forbidden

## 常见错误

- **错误做法:** 计算离子的价电子时，忘记根据电荷加减电子
  - 原因: 这会导致电子总数错误，得到错误的路易斯结构
  - 正确做法: 画图前始终记住：每个单位负电荷加1个电子，每个单位正电荷减1个电子
- **错误做法:** 混淆键长和键强度之间的关系
  - 原因: 学生通常认为更长的键更强，这是错误的
  - 正确做法: 更短的键长 = 更强的键（更高的键焓），更长的键 = 更弱的键
- **错误做法:** 将电负性最高的原子作为中心原子
  - 原因: 这会导致错误的连接性，失分
  - 正确做法: 电负性最低的原子（氢除外，氢始终是端基原子）是中心原子
- **错误做法:** 让第2周期元素拥有扩展八隅体
  - 原因: 第2周期元素只有s和p轨道，最多只能容纳8个电子
  - 正确做法: 只有第3周期及以下的元素可以拥有扩展八隅体，因为它们有空的d轨道
- **错误做法:** 检查八隅体时，共用电子只计数一次
  - 原因: 共用电子对两个成键原子的八隅体都计数
  - 正确做法: 成键对中的两个电子都要计入每个成键原子的八隅体计数

## 速查表

| 键型 | 键级 | 近似键长（pm） | 近似键焓（kJ/mol） |
| --- | --- | --- | --- |
| C-C | 1 | 154 | 347 |
| C=C | 2 | 134 | 614 |
| C≡C | 3 | 120 | 839 |
| O-O | 1 | 148 | 146 |
| O=O | 2 | 121 | 498 |
| N-N | 1 | 147 | 163 |
| N≡N | 3 | 110 | 945 |
| C-O | 1 | 143 | 358 |
| C=O | 2 | 120 | 745 |

## 下一步

掌握共价键是所有后续化学键及相关主题的基础。路易斯结构以及成键与非成键电子的排布直接决定共价分子的形状，而分子形状又进一步决定分子极性和分子间作用力。本主题学到的键焓值还会在热力学主题中用于计算化学反应的焓变。通过学习以下主题巩固知识，为考试做好准备。

- [分子与离子的空间构型](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-shapes-of-molecules-and-ions/)
- [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-intermolecular-forces/)
- [金属键](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u3-metallic-bonding/)

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