鍵的極性：化學界的拔河比賽

各位同學好！歡迎來到「鍵的極性」溫習筆記！大家有沒有想過為什麼油和水不會混合？又或者微波爐為什麼可以加熱食物？這一切都關乎原子如何在化學鍵中分享電子。在這個課題中，我們會深入探討電負性這個概念，它就好像原子拉扯電子的「拉力」一樣。

理解了這個概念，就可以幫助你預測一個化學鍵，甚至整個分子，究竟是「極性」(即是有正負兩端) 還是「非極性」。起初聽起來好像很複雜也不用擔心 — 我們會用簡單的比喻和例子來拆解。快點開始吧！


1. 電負性：拉扯之力

什麼是電負性？

想像一下，在一個共價鍵中，兩個原子就好像正在玩拔河比賽一樣，爭奪著共享電子。有些原子拉得比其他原子強勁許多。

電負性是衡量原子在共價鍵中吸引共享電子的能力。

  • 高電負性值代表原子對電子有強大的拉力。
  • 低電負性值代表原子對電子有微弱的拉力。

元素週期表的趨勢

幸運的是，電負性在元素週期表上有個規律性的變化。你不需要記住準確數值，只要記住它的趨勢就可以了！

  • 沿著週期 (由左至右)：電負性增加。這是因為原子核中的質子數目增加，對同一電子殼內的電子產生更強的吸引力。
  • 沿著族 (由上至下)：電負性減少。這是因為鍵合電子位於離原子核更遠的電子殼，並且被內層電子「屏蔽」，減弱了原子核的拉力。

記憶小貼士：電負性最高的元素是位於右上角的氟 (F)。最低的是位於左下角的鈁 (Fr)。記住電負性最高就是氟那邊就可以了！

你又知不知道？

電負性最常用的標度是由著名化學家鮑林 (Linus Pauling) 創立的。在他的標度上，氟的數值是 4.0 (最高)，而鈁大約是 0.7 (最低)。

重點撮要

電負性是原子在鍵合中的「電子拉力」。它沿著週期增加，沿著族減少。氟就是拉力冠軍了！


2. 從原子到化學鍵：極性與非極性

我們現在知道有些原子拉得比較強，有些則沒那麼強，那麼共價鍵本身又會怎樣呢？

均勻共享：非極性共價鍵

當兩個具有相同電負性的原子形成化學鍵時，它們會以相等的力量拉扯電子。電子在它們之間被完美地均勻共享。

  • 何時會發生？通常在兩個相同原子之間。
  • 結果：沒有電荷分離。這個鍵是完美平衡的。
  • 這就是非極性共價鍵。
  • 例子：H-H, Cl-Cl, O=O。這場拔河比賽平手了！

不均勻共享：極性共價鍵

當兩個具有不同電負性值的原子鍵合時，電負性較高的原子會將共享電子拉得更近自己。共享是不均勻的。

  • 結果：電子會在電負性較高的原子附近停留更長時間。這會在該原子上產生輕微的負電荷，並在另一個原子上產生輕微的正電荷。
  • 這就是極性共價鍵。
介紹部分電荷 (δ+ 及 δ-)

我們會用希臘字母delta (δ) 來表示這些輕微，或者「部分」的電荷。

  • 電負性較高的原子會帶有部分負電荷 (δ−)。
  • 電負性較低的原子會帶有部分正電荷 (δ+)。

例子：在氯化氫 (H-Cl) 中，氯的電負性比氫高。所以，氯會將電子拉得更近。
Hδ+ — Clδ−

鍵中的電荷分離叫做鍵偶極。我們可以用一支箭頭由正端指向負端來表示它。

快速溫習

非極性鍵 = 均勻共享 (例如：Cl-Cl)。電負性沒有差異。
極性鍵 = 不均勻共享 (例如：H-Cl)。電負性有差異，產生 δ+ 和 δ− 端。


3. 宏觀角度：分子極性

這是一個非常重要的觀點：一個分子可以含有極性鍵，但整體上仍然是一個非極性分子！為什麼會這樣呢？這一切都關乎分子的三維形狀。

這樣想：如果兩個人用相等的力量，但是在相反方向拉你，你都不會移動。這些力會互相抵銷。分子中的鍵偶極也是如此。

要一個分子是極性，它必須符合兩個條件：

  1. 它必須含有極性鍵。
  2. 它的形狀必須是不對稱，這樣鍵偶極才不會互相抵銷。

我們來看看課程中的官方例子吧。

個案研究：極性及非極性分子

非極性分子 (對稱形狀)

例子 1：甲烷 (CH₄)

  • 鍵：C-H 鍵是輕微極性的 (碳的電負性略高)。
  • 形狀：甲烷呈完美的四面體形狀，具有對稱性。
  • 結論：四個 C-H 鍵偶極的強度相等，並指向四面體的角。它們完美地互相拉扯並完全抵銷。因此，CH₄ 是一個非極性分子。

例子 2：三氟化硼 (BF₃)

  • 鍵：B-F 鍵是非常極性的 (氟是電負性最高的元素！)。
  • 形狀：BF₃ 呈三角平面形狀，好像一個三葉螺旋槳般對稱。
  • 結論：三個 B-F 鍵偶極指向一個完美三角形的角，彼此相距 120°。它們以相等的力量平衡拉扯，所以互相抵銷。因此，BF₃ 是一個非極性分子。
極性分子 (不對稱形狀)

例子 1：水 (H₂O)

  • 鍵：O-H 鍵是極性的 (氧的電負性比氫高很多)。
  • 形狀：水是V形 (或角形)。氧原子上的兩對孤電子對會將氫原子向下推，使形狀變得不對稱。
  • 結論：兩個 O-H 鍵偶極都指向氧原子，但呈某個角度。它們不是直接相對，所以不會抵銷。它們會產生一個整體的淨偶極，使H₂O 成為一個非常極性的分子。

例子 2：氨 (NH₃)

  • 鍵：N-H 鍵是極性的 (氮的電負性較高)。
  • 形狀：氨是三角錐體。氮原子上的孤電子對將三個氫原子向下推成錐體形狀，這個形狀是不對稱的。
  • 結論：三個 N-H 鍵偶極都指向氮原子的上方。它們不會抵銷。這會產生一個淨偶極矩，使NH₃ 成為一個極性分子。

例子 3：三氯甲烷 (CHCl₃)

  • 鍵：C-Cl 鍵是極性的，而 C-H 鍵也是極性但程度低很多。所有偶極的強度並非全部相同。
  • 形狀：這個分子的原子呈四面體排列。
  • 結論：即使形狀是基於四面體，但連接到中心碳原子的原子並不是相同的。三個強的 C-Cl 偶極和一個較弱的 C-H 偶極不會互相抵銷。這個分子在電荷分佈方面是不平衡的。因此，CHCl₃ 是一個極性分子。
常見錯誤提醒！

不要以為一個分子只要含有極性鍵就一定是極性分子。一定要考慮三維形狀！像 CO₂ 或 CCl₄ 般的對稱形狀，可以使鍵偶極互相抵銷，使分子變成非極性。

重點撮要

分子極性取決於鍵極性和分子形狀兩者。如果形狀對稱且鍵相同，偶極就會抵銷，使分子變成非極性。如果形狀不對稱或鍵不同，偶極就不會抵銷，使分子變成極性。


最終總結

很棒，大家終於完成了這個課題了！我們快速重溫一下這個邏輯流程吧：

1. 電負性差異：這會告訴你一個共價鍵是極性還是非極性。
2. 鍵極性 + 分子形狀：這兩個因素加起來，會告訴你整個分子是極性還是非極性。

這個概念非常重要，因為它解釋了許多物質的性質，就像為什麼極性的水可以溶解極性的鹽，但不能溶解非極性的油一樣。繼續練習畫形狀和思考對稱性，你很快就會掌握到的。你一定可以的！