第一節 共價物質的結構

簡單分子結構有兩個顯著的特點:

  1. 在簡單分子結構中,分子是穩定而獨立的最小單位;

  2. 分子的內部是由強大的共價鍵把原子互相連結;但在分子與分子之間,則是由微弱的分子間引力(又稱為范德華力)互相牽引。

「范德華力」是以在分子力方面做出傑出貢獻的荷蘭物理学家 Johannes van der Waals 的名字來命名的。我們會在其他章節詳細討論。

其中一個例子就是二氧化碳,碳原子和氧原子以強大的共價鍵構成二氧化碳分子,而二氧化碳分子之間則以范德華力互相牽引。

碘原子和碘原子以強大的共價鍵構成碘分子,但碘分子之間也是由微弱的范德華力互相牽引,因此它也是擁有簡單分子結構的物質。

簡單分子結構

巨型共價結構有兩個顯著的特點:

  1. 在巨型共價結構中,原子與原子之間是以強大的共價鍵互相連結;

  2. 眾多原子構成一個巨型的網狀結構,不斷向外伸延。

金剛石(即鑽石)和石英就是兩個擁有巨型共價結構的物質。

金剛石是由碳原子所組成,每個碳原子都與另外四個碳原子以共價鍵連結,構成四面體的形狀,並不斷伸延,形成一個巨型的網狀結構。

石英(即二氧化硅的結晶體)是一種礦物,在石英的結構中,每個硅原子與四個氧原子以強大的共價鍵連結,而每個氧原子又與兩個硅原子以強大的共價鍵連結 (因此硅原子與氧原子的簡單整數比為 \(1:2\)),形成一個巨型網狀結構。

巨型共價結構

具有簡單分子結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:硬度低(如果該物質是固體)。

這是因為分子之間只由微弱的范德華力互相牽引,我們只需要施加少許外力就可以將分子間微弱的范德華力破壞。

固態的二氧化碳(即是「乾冰」)具有簡單分子結構,我們只需施加少許外力就可以把它壓碎。

在常溫常壓下,碘是固體,但它也具有簡單分子結構,我們只需施加少許外力就可以把它壓碎。

乾冰和碘都是具有簡單分子結構的物質

具有巨型共價結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:硬度高(如果該物質是固體)。

巨型共價結構的物質內,每個原子都是由強大的共價鍵互相連結,並且形成網狀結構,所以這些物質非常堅硬。

例如金剛石是在眾多已知的物質中最堅硬的物質,常用於切割玻璃,或雕刻物件。

而石英也是非常堅硬的固體。

金剛石和石英都是具有巨型共價結構的物質

具有簡單分子結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:熔點和沸點一般都很低。

簡單分子 熔點 (\(^\circ \text{C}\)) 沸點 (\(^\circ \text{C}\))
二氧化碳 \(−78\) \(−57\)
\(113\) \(184\)
兩個簡單分子結構物質的熔點和沸點

這是因為分子之間只由微弱的范德華力互相牽引,我們只需要施加少許熱能就可以將分子間微弱的范德華力破壞。

乾冰就是固態的二氧化碳,它也是典型的簡單分子結構的物質。

固態二氧化碳(即「乾冰」)受熱後由固態直接轉化為氣態的過程

具有巨型共價結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:熔點一般都很高。

巨型共價結構的物質 熔點 (\(^\circ \text{C}\))
石英 \(1610\)
金剛石 \(3500\)
兩個巨型共價結構物質的熔點

這是因為在具有巨型共價結構的物質之中,所有原子都是由強大的共價鍵互相連結。所以在熔化巨型共價結構物質時,需要使用大量熱能破壞原子之間強大的共價鍵。

具有簡單分子結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:水溶性低,但易溶於非水溶劑(如醚、甲苯或庚烷等)。

因為大多數具有簡單分子結構的物質都是非極性的分子(例如:二氧化碳、碘分子……等等),而水分子則是極性分子。

  1. 極性分子之間的吸力頗強,

  2. 非極性分子和極性分子之間的吸引力則較弱,

因此非極性分子很難混入極性分子之間。這解釋了為何簡單分子結構的物質的水溶性較低。而非水溶劑之間的吸引力較弱,非極性分子較易混入,因此簡單分子結構的物質較易溶於非水溶劑。

碘是具有簡單分子結構的物質,分子之間只由微弱的范德華力互相吸引。碘微溶於水,但卻易溶於非水溶劑。

簡單分子的溶解度

但有部分簡單分子結構的物質,是極性分子,例如氯化氫和水。

這些極性分子則比較溶於極性溶劑,而不溶於非極性溶劑。

具有巨型共價結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:具有巨型共價結構的物質既不溶於水,又不溶於非水溶劑。

這是因為具有巨型共價結構的物質中的原子都是由強大的共價鍵互相連結。水分子,非水溶劑分子與這些巨型共價結構的物質中的原子的吸引力很弱,不足以破壞強大的共價鍵。

二氧化硅是具有巨型共價結構的物質,原子之間是由強大的共價鍵互相連結。

巨型共價結構物質的溶解度

具有簡單分子結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:不能導電。這是因為簡單分子結構中沒有可以自由流動的離子或電子。

請注意:某些具有簡單分子結構的物質溶於水後可以導電,例如氨、氯化氫、二氧化硫等等,但是導電的粒子並不是這些物質的分子,而是它們的分子與水反應或在水中電離後產生的可以流動的離子。因此不可把二者混為一談。

簡單分子結構物質的水溶性

具有巨型共價結構的物質通常都有某些普遍特性,例如:不能導電。這是因為在巨型共價結構物質的原子既沒有自由電子,也沒有帶電荷的離子。

就以二氧化硅為例,硅原子的全部最外層電子都形成共價鍵;氧原子的最外層電子要麼形成共價鍵,要麼是孤電子對留在氧原子中,因此二氧化硅沒有自由電子,所以不能導電。

簡單分子結構物質的導電性

但亦有例外,石墨是由碳原子組成並且擁有巨型共價結構的物質,但它是有良好的導電性。

碳原子有 \(4\) 個最外層電子,但在石墨中,每個碳原子都只與另外 \(3\) 個碳原子生成共價鍵,因此每個碳原子都有 \(1\) 個沒有生成鍵的最外層電子。

石墨的結構
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