第二章 鍵結與性質 本章重點 • 鍵結產生原因 ? • 鍵結種類 ? • 哪些性質與鍵結有關係 ?

} 1.67 x 10-27 kg 原子結構 原子 – 電子 – 9.11 x 10-31 kg 質子 中子 原子序 = 原子核內之質子數 = 原子電中性時之電子數   A [=]原子質量單位 (atomic mass unit, amu) = 12C 質量的1/12   原子量 = 6.023 x 1023 個分子或原子重量   1 amu/atom = 1g/mol *某一原子的amu為x，則一莫耳個這種原子其重量為x克 C 12.011 H 1.008 Fe 58.85 } 1.67 x 10-27 kg

原子結構 價電子決定下列性質 化學性質 電性質 熱性質 光學性質

電子結構 電子同時具有波動與粒子的性質. 電子在軌道上的出現由機率決定 軌道具有不連續（各自不同）的能階，此能階以量子數(quantum numbers) 定義。   量子數 命名 n = 主要 (能階殼) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.) l = 次要 (軌道) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n -1) ml = 磁性 1, 3, 5, 7 (-l to +l) ms = 自旋 ½, -½

電子能態 電子... • 具有不連續能階(energy state) • 傾向佔據最低能階 4d 4p N-shell n = 4 3d • 傾向佔據最低能階 1s 2s 2p K-shell n = 1 L-shell n = 2 3s 3p M-shell n = 3 3d 4s 4p 4d 能量 N-shell n = 4 Adapted from Fig. 2.4, Callister 7e.

元素的電子組態 • 大部分元素的電子組態並不穩定 • 不穩定的原因：最外殼層未填滿 原子序 18 36 元素 氫Hydrogen • 大部分元素的電子組態並不穩定 電子組態 (stable) ... 1s 2 2s 2p 6 3s 3p 3d 10 4s 4p 原子序 18 36 元素 1 氫Hydrogen 氦Helium 3 鋰Lithium 4 鈹Beryllium 5 硼Boron 碳Carbon 氖Neon 11 鈉Sodium 12 鎂Magnesium 13 鋁Aluminum 氬Argon 氪 Adapted from Table 2.2, Callister 7e. • 不穩定的原因：最外殼層未填滿

電子組態 價電子 – 未填滿殼層之電子 填滿殼層的電子較為穩定 價電子可產生鍵結，影響材料的化學性質 例如: C (原子序 = 6) 價電子 – 未填滿殼層之電子 填滿殼層的電子較為穩定 價電子可產生鍵結，影響材料的化學性質 例如: C (原子序 = 6) 1s2 2s2 2p2 價電子

電子組態 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d 6 4s2 價電子 例如: Fe – 原子序 = 4d 4p K-shell n = 1 L-shell n = 2 3s 3p M-shell n = 3 3d 4s 4p 4d 能量 N-shell n = 4 Adapted from Fig. 2.4, Callister 7e.

週期表 • 列: 同類的價電子結構 give up 1e give up 2e give up 3e inert gases • 列: 同類的價電子結構 give up 1e give up 2e give up 3e inert gases accept 1e accept 2e O Se Te Po At I Br He Ne Ar Kr Xe Rn F Cl S Li Be H Na Mg Ba Cs Ra Fr Ca K Sc Sr Rb Y Adapted from Fig. 2.6, Callister 7e. 正電性元素易於失去電子， 成為正離子 負電性元素易於獲得電子， 成為負離子

陰電性 • 由 0.7 增加至 4.0, • 陰電性愈大愈易獲得電子. 陰電性漸小 陰電性漸大 • 由 0.7 增加至 4.0, • 陰電性愈大愈易獲得電子. 陰電性漸小 陰電性漸大 Adapted from Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.

陰電性 取自 www.800mainstreet.com/5/0005-008-most.html

離子鍵 – 金屬 + 非金屬 貢獻電子 接受電子 兩者陰電性不同 如: 氧化鎂MgO 離子鍵 – 金屬 + 非金屬 貢獻電子 接受電子   兩者陰電性不同   如: 氧化鎂MgO Mg 1s2 2s2 2p6 3s2 O 1s2 2s2 2p4 [Ne] 3s2  Mg2+ 1s2 2s2 2p6 O2- 1s2 2s2 2p6 [Ne] [Ne]

離子鍵 - + • 發生於正、負離子之間 • 兩者產生電子轉移 • 需要有較大的陰電性差距 • 例: NaCl 鈉Na (金屬) • 發生於正、負離子之間 • 兩者產生電子轉移 • 需要有較大的陰電性差距 • 例: NaCl 鈉Na (金屬) 氯Cl (非金屬) 不穩定 不穩定 electron - Na (正離子) + Cl (負離子) 穩定 庫侖力 穩定 Coulombic Attraction

離子鍵 能量 –能量最低時最為穩定 –淨能為吸引能(EA)和排斥能 (ER)之和 r A B EN = EA + ER = 排 斥 位 能 - 吸引能 EA 淨能 EN Repulsive energy ER 原子間距 r 排 斥 排斥能 (ER) 位 能 E 吸 引 Adapted from Fig. 2.8(b), Callister 7e.

離子鍵實例 • 陶瓷的主要鍵結 NaCl MgO CaF 2 CsCl 釋放電子 獲得電子 • 陶瓷的主要鍵結 NaCl MgO 釋放電子 獲得電子 CaF 2 CsCl Adapted from Fig. 2.7, Callister 7e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell University.

共價鍵 相近的陰電性： 共用電子 由價電子決定 – 鍵結主要由s & p 軌道電子決定 例: CH4 CH 4 H提供的共用電子 兩者陰電性的相近 Adapted from Fig. 2.10, Callister 7e.

金屬鍵 個別原子 Cu 2+ 電子雲 -- “膠結” 合原子 原子可視為兩部分 原子核+填滿軌道的電子 (+) 價電子 (-) 取自http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/metallic.html 脫離局部限制的電子 聚集成電子雲

主鍵結 金屬鍵 -- 電子脫離個別原子而成為電子雲 離子鍵-共價鍵成為混合鍵結 % 離子特性 = 其中 XA & XB 為A、B陰電性 %) 金屬鍵 -- 電子脫離個別原子而成為電子雲   離子鍵-共價鍵成為混合鍵結 % 離子特性 =   其中 XA & XB 為A、B陰電性 %) 100 ( x Ex: MgO XMg = 1.3 XO = 3.5 æ 2 ö ( 3 . 5 - 1 . 3 ) ç - ÷ ％離子特性 = ç 1 - e 4 ÷ x (100%) = 70.2% 離子性 ç ÷ è ø

次鍵結 + - + - 由偶極之間的交互作用而產生 • 變動偶極-電子不對稱分佈 例：液態氫 H2 H 2 H • 永久偶極-在分子中產生 • 變動偶極-電子不對稱分佈 例：液態氫 H2 不對稱電子雲 H 2 H + - + - 次要鍵 次要鍵 Adapted from Fig. 2.13, Callister 7e. • 永久偶極-在分子中產生 + - 次要鍵 -示意圖: Adapted from Fig. 2.14, Callister 7e. Cl Cl -ex: 液態 HCl 次要鍵 H H secondary bonding -ex: 高分子 次要鍵

結論： 鍵結 種類 鍵結能 附註 離子鍵 大 無方向性 (陶瓷) 共價鍵 不一定 方向性 (半導體, 陶瓷 高分子鍊) 大 – 鑽石 小 – 鉍 金屬鍵 不一定 大 – 鎢 無方向性 (金屬) 小 – 汞 次要鍵 小 方向性 分子鍊之間 (高分子) 分子之間

與鍵結有關的性質(1): 熔點Tm • 鍵結長度, r •熔點, Tm r 能量 r • 鍵結能, Eo Energy 較低 Tm r 未伸展長度 r 較高 Tm o r Eo = Eo 值大，則Tm 高 “鍵結能”

與鍵結有關的性質(2): a = a ( T - T ) • 熱膨脹係數, a D D L L L o • 能量 未伸展長度 r 長度, o 未加熱, T 1 加熱, T 2 D L = a ( T - T ) 2 1 L o • r o 較大 a 較小 a 能量 未伸展長度 Eo Eo 值大，則a 小

結論： 主要鍵結 陶瓷 高鍵結能 金屬 鍵結能不一 高分子 方向性 高 Tm 大 E (離子與共價鍵): 小 a 中等 Tm 中等 E (金屬鍵): 高分子 方向性 主要為次要鍵 小 Tm 小 E 大 a (共價鍵與次要鍵): 次要鍵