鍵結與物理性質：HSC Chemistry 指南

鑽石和石墨都完全由碳原子組成。然而，鑽石極其堅硬，而且不導電；石墨卻柔軟得足以在紙上留下痕跡，並且能夠導電。

在繼續閱讀前先預測一下：如果原子完全相同，那麼一定是哪一方面不同？

不可能是元素本身。差異在於原子的排列方式和鍵結方式。這就是本主題的核心概念。化學式告訴你有哪些粒子存在；結構和鍵結則告訴你這些粒子會有甚麼行為。

當你能夠看著一個結構，並問：「要出現這種性質，甚麼必須移動、分開或斷裂？」熔點、沸點、導電性、硬度、脆性和溶解度就會容易預測得多。

01幾乎所有性質背後的兩個問題

在逐一考慮各種性質之前，先問兩個問題：

1. 物質由甚麼粒子組成，而這些粒子是如何維持在一起的？
2. 要出現我正在解釋的性質，甚麼必須移動或分開？

第一個問題用來辨認結構。第二個問題可以避免你在鍵結題中犯下一個最常見的錯誤：只談物質中最強的鍵，即使該鍵根本不是有關過程中涉及的鍵。

例如，水含有氧與氫之間的強共價鍵。但當水沸騰時，這些共價鍵通常不會斷裂。水分子彼此分開，但仍然保持為 \(\ce{H2O}\) 分子。

這個差別至關重要。

你需要辨認的四種結構

對大多數 HSC 鍵結題而言，可以把物質整理為四大類結構。

晶格是粒子在固體中延伸的規則、重複排列。

這些分類很有用，但它們不是能直接給出答案的魔法標籤。同一類別中的兩種物質仍可能具有非常不同的性質。辨認結構類型後，你還需要比較相關吸引力的強弱。

02熔化和沸騰：實際上必須分開的是甚麼？

想像一個分子固體是一場擠滿成雙成對賓客的派對。每一對人代表一個分子。分子內的原子就像彼此牽著的兩個人，而相鄰分子之間的吸引力則像不同組伴侶之間較弱的互動。

物質熔化比較像是讓所有人不再站在固定位置。沸騰則需要分子彼此遠離。你通常不需要讓每一對伴侶都分開。

這就是這個類比有用的地方。不過，它也有局限，因為分子間作用力是靜電相互作用，不是社交偏好，而且真實的分子一直都在運動。

分子物質

在簡單分子物質中，每個分子內部的共價鍵通常比分子之間的分子間作用力強得多。

在熔化或沸騰期間：

• 分子獲得動能
• 分子間吸引力被克服
• 分子可以更自由地移動或彼此分開
• 每個分子內部的共價鍵一般仍保持完整

因此，分子物質的熔點和沸點主要取決於其分子間作用力的強弱，而不是共價鍵的強弱。

這帶來一條重要規則：

對分子物質而言，要問的是一個分子對另一個分子的吸引力有多強。

HSC Chemistry 主要考慮的分子間作用力包括色散力、偶極-偶極相互作用和氫鍵。

所有原子和分子之間都存在色散力。一般而言，電子雲越大、越容易被扭曲，色散力就越強。

極性分子之間會出現偶極-偶極相互作用。

氫鍵是一種特別強的分子間吸引力。當氫與氮、氧或氟等高電負度原子鍵結，而該氫又受到附近分子上適當孤電子對的吸引時，就會形成氫鍵。

03為甚麼離子物質通常有高熔點

離子固體並不是由一個個整齊的 \(\ce{NaCl}\) 分子彼此排列而成。它含有由正、負離子組成的巨大三維排列。

例如在氯化鈉中，\(\mathrm{Na}^{+}\) 離子被 \(\mathrm{Cl}^{-}\) 離子包圍，反之亦然。

異號電荷互相吸引。要使晶體熔化，必須克服足夠多這些強靜電吸引力，讓離子能夠離開其固定的晶格位置。

這通常比分開僅靠分子間作用力維持在一起的分子需要多得多的能量。

並非所有離子化合物都有相同熔點

把某物質稱為「離子化合物」只是解釋的第一層。

以下情況會令靜電吸引力變強：

• 離子電荷越大
• 異號電荷離子之間的距離越小

你不需要學習進階靜電學也能運用這個概念。在其他條件相若時，\(2+\) 離子與 \(2-\) 離子之間的吸引力比 \(1+\) 離子與 \(1-\) 離子之間更強。較小的離子也能彼此靠得更近。

04共價網狀結構：當熔化真的需要斷開共價鍵時

現在把分子物質與鑽石作比較。

鑽石並不是由個別碳分子組成。每個碳原子都以共價鍵與其他碳原子連結，形成連續的三維網狀結構。

它沒有一層較弱的分子間作用力，可以在保持獨立分子完整的情況下簡單地被克服。

要大幅破壞其結構，就必須斷開許多強共價鍵。

這就是巨型共價結構一般具有非常高熔點的原因。

二氧化矽 \(\ce{SiO2}\) 是另一個重要例子。雖然它的化學式看起來可能像是在描述一個只有三個原子的小分子，但固態二氧化矽實際上形成延伸的共價網狀結構。

化學式 \(\ce{SiO2}\) 告訴你矽原子與氧原子的比例。它並不表示固體由一個個獨立的 \(\ce{SiO2}\) 分子組成。

05熔點並不是「鍵強度」的直接量度

一個很容易想到的預測是：

強共價鍵意味著高熔點。

有時這會得出正確答案，但很多時候不會。

甲烷 \(\ce{CH4}\) 含有強的碳-氫共價鍵，但它的熔點和沸點都非常低。為甚麼？因為熔化或沸騰甲烷並不需要斷開這些碳-氫鍵。只需要克服甲烷分子之間弱得多的吸引力。

鑽石則不同。它的共價鍵連接整個晶體。破壞其結構，就意味著要破壞共價鍵。

所以，更好的問題從來不只是：

「這些鍵有多強？」

而應問：

「在這個過程中，實際上必須克服哪些吸引力？」

06強度、硬度和脆性是不同的概念

像強、硬和脆這些詞很容易混為一談。

它們描述的是不同的行為。

硬度是抵抗刮擦或壓痕的能力。

強度廣義而言，是材料在某種特定受力方式下抵抗變形或失效的能力。

脆性表示材料傾向於斷裂，而不是出現大幅變形。

延展性表示材料可以被塑造成薄片。

延性表示材料可以被拉成細線。

因此，一種材料可以同時堅硬而脆。

為甚麼離子固體既硬又脆

在離子晶體中，異號電荷的離子彼此強烈吸引。這形成剛性的晶格，使許多離子固體具有較高硬度。

現在想像施加足夠大的力，使一層離子相對於另一層發生位移。

位移前，正離子位於負離子附近。

在某種位移之後，正離子可能與其他正離子對齊，而負離子則與其他負離子對齊。

同號電荷互相排斥。

這種強烈斥力可以使晶格沿某個平面裂開。

因此，離子固體之所以脆，並不是因為離子吸引力很弱。恰恰相反。晶體會斷裂，是因為剛性排列一旦移動，可能突然使同號電荷之間產生強大的斥力。

07為甚麼金屬可以彎曲而不是碎裂

標準的金屬鍵結模型包含被離域電子包圍的正金屬離子核心。

離域電子並不局限於兩個特定原子之間的單一鍵。它可以在金屬結構中移動。

正離子核心與離域電子之間的靜電吸引力把金屬維持在一起。

現在使一層金屬原子相對於另一層移動。

與離子晶格不同，這種位移不一定會把兩組固定的同號電荷直接推到彼此前方，令吸引力無法繼續維持。即使原子層移動後，離域電子仍可以繼續吸引正金屬離子核心。

這有助於解釋為甚麼許多金屬具有延展性和延性，而不是脆性。

這個學校課程中的模型很有用，但要記住，真實的金屬鍵結會以電子結構的量子模型作更精確的描述。就 HSC 的物質性質解釋而言，離域電子模型提供了關鍵的物理推理。

08導電性：不要再只看「鍵」

談到導電性時，要完全換一個問題。

不要先問：

「鍵是否很強？」

應問：

「物質中是否有帶電粒子能夠移動？」

電流需要可移動的載流子。

這可能是：

• 可移動的電子
• 可移動的正離子或負離子

即使物質中含有帶電粒子，如果這些粒子不能移動，物質仍可能無法導電。

金屬

金屬在固態和液態都能導電，因為其中含有可移動的離域電子。

正離子核心不需要在導線中移動。是可移動的電子在金屬結構中傳遞電荷。

離子固體

以下是一個非常常見的錯誤：

離子物質會導電，因為它們含有離子。

這個說法並不完整。

一塊固態氯化鈉當然含有離子，但這些離子被固定在晶格位置上。它們不能在晶體中自由移動。

因此，固態氯化鈉不能有效導電。

當離子化合物熔化時，晶格被破壞。離子變得可以移動。

此時正、負離子都能在液體中移動並傳遞電荷，所以熔融的離子化合物能導電。

如果離子物質溶於水，其離子也可能變得能夠在溶液中自由移動。這類溶液可以導電。

判斷規則是：

存在離子 + 離子可移動 = 離子導電

分子物質

大多數簡單分子物質既沒有可移動的離子，也沒有可自由移動的電子，因此是較差的電導體。

即使分子內的鍵具有極性，情況仍然如此。

極性分子內的電荷分布不均勻。這與含有能自由移動的帶電粒子並不是同一回事。

有些分子物質可以與水反應形成離子，因此它們的水溶液可能導電。在這種情況下，載流子是溶液中的離子。

共價網狀結構與石墨這個例外

大多數共價網狀固體不導電，因為它們的電子局域在共價鍵中。

鑽石就是一個很好的例子。每個碳原子都把其外層電子用於鍵結網絡中，因此沒有合適的可移動載流子。

石墨則不同。

在石墨中，每個碳原子都與三個相鄰碳原子鍵結，形成平坦的片層。這會留下在每個片層中離域的電子。

這些電子可以移動並傳遞電荷。

因此，雖然石墨是共價網狀物質，它仍然能夠導電。

這就是為甚麼死記「共價就代表不導電」很危險。結構比標籤更重要。

09鑽石與石墨：相同原子，不同性質

現在可以回到開頭的問題。

鑽石

在鑽石中：

• 每個碳原子以共價鍵與另外四個碳原子鍵結
• 這些鍵形成三維網狀結構
• 強共價鍵向所有方向延伸
• 沒有適合進行導電的可移動離域電子

這有助於解釋為甚麼鑽石極其堅硬，而且在一般條件下不導電。

石墨

在石墨中：

• 每個碳原子以共價鍵與另外三個碳原子鍵結
• 原子形成平坦的共價片層
• 每個片層內有強共價鍵
• 片層之間存在弱得多的吸引力
• 離域電子可以在片層中移動

片層之間較弱的吸引力使它們能相對容易地彼此滑動。因此，與鑽石相比，石墨較柔軟。

離域電子則解釋了它的導電性。

這是一個重要提醒：僅僅知道原子的種類，並不足以決定材料的性質。原子的排列和鍵結方式同樣重要。

10溶解度也取決於粒子之間的相互作用

有時，溶解度會被簡化成一句話：「相似相溶」。

這是一個有用的捷徑，但不是完整解釋。

要使某物質溶解，原有的吸引力必須被破壞，而且溶質與溶劑粒子之間必須形成新的吸引力。

離子物質在水中的溶解

水是極性分子。水分子的氧端帶部分負電，而氫端帶部分正電。

在正離子附近，水分子的排列方式會使帶部分負電的氧端朝向該離子。

在負離子附近，帶部分正電的氫端則可以朝向該離子。

這些離子-偶極吸引力可以幫助穩定溶液中已分離的離子。

要使離子固體大量溶解，這些新的相互作用必須能夠有效與維持離子晶格的吸引力競爭。

因此，你不應寫「所有離子化合物都溶於水」。並不是所有離子化合物都如此。

極性與非極性分子物質

如果極性溶質與極性溶劑之間能形成有利的吸引力，極性溶質通常較容易溶於極性溶劑。

非極性分子物質通常較容易溶於非極性溶劑，因為色散力可以提供相容的相互作用。

同樣地，真正的原理並不是分子會辨認其他與自己相同「類型」的分子，而是涉及一場能量競爭：哪些原有吸引力必須被破壞，以及會形成哪些新的吸引力。

共價網狀結構

巨型共價物質通常不溶於一般溶劑，因為要使它們溶解，就必須大幅破壞遍布整個網狀結構的強共價鍵。

一般的溶質-溶劑吸引力通常不足以做到這一點。

11HSC 題目的實用判斷方法

當題目給你一項物理性質，要求你利用鍵結來解釋時，可以按照以下次序思考。

**首先，辨認結構。**它是簡單分子結構、離子結構、金屬結構，還是共價網狀結構？

**第二，辨認粒子。**是分子？離子？金屬離子核心與離域電子？還是以共價鍵相連的原子？

第三，問自己要出現這項性質，必須發生甚麼。

對熔化或沸騰而言，粒子必須受到較少限制或彼此分開。

對導電而言，電荷必須能夠移動。

對彎曲而言，原子層或原子必須能改變位置，而不使整個材料失效。

對溶解而言，原有的吸引力必須由有利的溶質-溶劑相互作用取代。

第四，指出相關吸引力或可移動粒子。

到了這一步，你才應使用離子吸引力、氫鍵、色散力、共價鍵或離域電子等術語。

最後，把微觀變化與觀察到的性質連繫起來。

一個好的答案應該有一條完整的推理鏈，而不只是羅列化學詞彙。

例如：

該化合物具有高熔點，因為異號電荷離子在整個離子晶格中受到強烈靜電吸引。要使離子離開其固定晶格位置，需要大量熱能。

這才真正解釋了性質。

下面這句則沒有：

它有強鍵，所以熔點很高。

第二句完全沒有指出粒子、鍵結類型，或熔化需要發生甚麼。

12利用物性數據推斷結構

有時題目的方向會反過來。你會得到一組性質，並要判斷最可能的鍵結方式。

假設一種未知固體具有以下性質：

• 高熔點
• 堅硬而脆
• 固態時不導電
• 熔融時導電

在繼續閱讀前，你會作出甚麼預測？

最有力的線索並不是高熔點。幾種不同結構類型都可能產生高熔點。

最有力的線索是熔化後導電性的改變。

一個很好的模型是離子晶格：

• 強靜電吸引力解釋高熔點
• 固定不動的離子解釋固態時不導電
• 液態中可移動的離子解釋熔融時能導電
• 晶格位移後產生的同號電荷斥力解釋脆性

多個不同的觀察結果都能由同一個結構模型解釋。

這正是一個有用的科學模型應該做到的事。

13從答案中刪除這些常見陷阱

「離子化合物會導電」

只有在其離子能夠移動時才會。

固態離子晶格一般不導電。熔融離子化合物可以導電；如果水溶液中存在可移動離子，水溶液也可以導電。

「共價物質熔點低」

簡單分子物質通常如此。

共價網狀物質一般具有非常高的熔點，因為共價鍵遍布整個結構。

「強共價鍵令分子有高沸點」

分子物質沸騰時，通常不會斷開其共價鍵。

你應比較分子之間的分子間作用力。

「高熔點就表示是離子物質」

不對。離子物質可以有高熔點，但共價網狀固體和許多金屬也可以。

你需要額外證據。

「物質具有極性，所以會導電」

極性表示分子內的電荷分布不均勻。

導電需要可移動的帶電粒子。中性的極性分子並不會自動成為可移動的離子。

「堅硬就表示不脆」

一種材料可以抗刮擦，但在受力時仍然傾向斷裂而不是變形。

許多離子晶體既硬又脆。

14問題與解答

問題 1

一種物質由小型、彼此分開的分子組成。它的沸點低，而且無論是液態還是固態都不導電。

解釋其結構如何造成這兩項觀察結果。

解答 1

該物質沸點低，是因為只需要克服相對較弱的分子間吸引力；它不導電，是因為缺乏可移動的帶電粒子。

每個分子內部的共價鍵可以很強，但沸騰通常不需要斷開這些鍵。所需的能量主要用於克服分子間作用力，使一個分子與另一個分子分開。

它不導電則源於另一個不同的條件。電流傳導需要可移動的帶電粒子。彼此分開的中性分子一般既不提供可移動離子，也不提供離域電子。

主要陷阱是把沸點和導電性當成由同一項特徵控制。其實並不是。沸騰取決於粒子之間的吸引力，而導電性取決於可移動的載流子。

問題 2

一名學生得到兩種固體。

固體 A 具有延展性並能導電。

固體 B 堅硬而脆。它在固態時不導電，但熔化後能導電。

指出 A 和 B 最可能的鍵結類型，並解釋每個選擇。

解答 2

固體 A 最可能具有金屬鍵結，而固體 B 最可能是離子物質。

在固體 A 中，可移動的離域電子解釋了其導電性。金屬鍵結也容許金屬離子核心的原子層移動，同時仍保持它們與離域電子之間的吸引力，因此能解釋其延展性。

固體 B 符合離子晶格模型。在固體中，其離子被固定在特定位置，所以不能在材料中傳遞電荷。熔化後，離子變得可以移動，因此液體可以導電。

它的脆性也與離子晶格一致，因為晶格原子層發生位移時，可能使同號電荷彼此靠近。由此產生的斥力可以令晶體斷裂。

問題 3

鑽石和石墨都是純碳。

解釋為甚麼石墨能導電而且相對柔軟，而鑽石不導電且極其堅硬。

解答 3

石墨能導電而且相對柔軟，是因為它在層狀片層內含有可移動的離域電子；鑽石則形成剛性的三維共價網狀結構，且沒有合適的可移動載流子，因此堅硬且不導電。

在石墨中，每個碳原子在一個片層內形成三個共價鍵。電子在片層中離域，並可以傳遞電荷。片層與相鄰片層之間的吸引力，比每個片層內的共價鍵弱得多，所以各層可以相對容易地彼此滑過。

在鑽石中，每個碳原子在三維網狀結構中形成四個共價鍵。強共價鍵遍布整個結構，使形變十分困難，因此產生極高硬度。它的鍵結排列不像石墨那樣提供可移動的離域電子，所以鑽石在一般條件下不是電導體。

陷阱在於假設由相同元素組成的物質必定具有相同的性質。同一元素的不同結構可以表現出非常不同的性質。

問題 4

一名學生說：

「二氧化矽的化學式是 \(\ce{SiO2}\)，所以它一定由小分子組成。因此它的熔點應該很低。」

評估這名學生的推理。

解答 4

這個推理不正確，因為固態二氧化矽是共價網狀結構，而不是由一個個小型 \(\ce{SiO2}\) 分子組成。

化學式 \(\ce{SiO2}\) 表示結構中矽原子與氧原子的比例。它並不能證明存在獨立的三原子分子。

在固態二氧化矽中，原子透過延伸的強共價鍵網絡彼此連結。要破壞這個結構，必須斷開許多共價鍵，而這需要大量能量。因此，二氧化矽具有高熔點。

這個誤解源自把每一個化學式都當成分子式。對離子晶格和共價網狀結構而言，化學式通常表示最簡比例，而不是一個獨立粒子的邊界。

問題 5

一種未知固體具有非常高的熔點。它很硬，在固態時不導電，而且不溶於水。

一名學生因此斷定它一定是共價網狀固體。

這個結論是否有充分根據？解釋還有哪一種替代結構仍可能符合這些觀察結果，並指出一項可協助區分兩種可能性的額外性質。

解答 5

沒有。這些證據與共價網狀結構一致，但並不能唯一證明該結構。不溶於水的離子固體也可能符合這些觀察結果。

共價網狀結構可以解釋高熔點，因為強共價鍵遍布整個結構。它通常也能解釋缺乏導電性和低溶解度。

然而，有些離子化合物只微溶於水，或實際上可視為不溶於水。離子晶格也可以具有高熔點，而其中的離子在固態時不能移動，所以不會在該狀態導電。

一項有用的額外測試是檢驗熔化後的導電性，前提是該物質可以安全地被熔化。熔融的離子物質應能導電，因為其離子變得可以移動。典型的共價網狀物質不會僅僅因為熔化就突然產生可移動離子。

這名學生論點中的隱藏假設是，離子物質一定會溶於水。這並不正確。

問題 6

兩種分子液體 X 和 Y 的分子質量相近。X 是極性分子，Y 是非極性分子。

一名學生預測 X 一定有較高沸點，因為極性分子之間存在偶極-偶極吸引力。

這個預測是否保證正確？

解答 6

不是。極性可以增加分子間吸引力，但不能保證有較高沸點，因為總分子間吸引力取決於不只一個因素。

X 和 Y 都有色散力。由於 X 具有極性，它可能還有額外的偶極-偶極吸引力。

然而，色散力的強弱取決於電子雲的大小和可極化性，以及分子彼此接觸的有效程度等因素。因此，分子形狀也會影響總分子間吸引力。

正確方法是比較所有重要的分子間作用力，而不是使用「極性一定代表沸點較高」這種規則。

如果 X 和 Y 在大小、形狀和可極化性方面都非常相近，那麼 X 額外具有的偶極-偶極吸引力便支持它有較高沸點的預測。在沒有這些額外假設的情況下，這個結論並沒有保證。

陷阱在於把一個有用的趨勢變成絕對規則。

問題 7

一種新的固體材料具有以下觀察到的性質：

• 它具有非常高的熔點
• 它在固態時能導電
• 它不具延展性
• 它的原子在延伸的片層中形成強共價鍵
• 相鄰片層之間的吸引力弱得多

一名學生認為，導電性證明這種材料一定是金屬。

解釋為甚麼這個結論不成立。然後預測：當作用力平行於其片層時，相比起試圖斷開片層內部鍵結的作用力，這種材料可能會有甚麼不同的行為？

解答 7

這種材料不一定是金屬。它的性質與含有離域電子的層狀共價網狀結構一致，原理上類似石墨。

導電性證明存在可移動的載流子，但單憑這一點並不能證明是金屬鍵結。如果電子在共價鍵結的片層中離域，它們就能傳遞電荷，而整體結構仍然可以是共價結構。

這種材料應該較容易透過使相鄰片層彼此滑動而變形，而不是破壞片層內部的結構。片層之間的作用力相對較弱，因此克服它們需要較少能量。

相比之下，如果形變需要斷開片層內部的共價鍵，就會困難得多，因為這些鍵很強。

更深一層的重點是，每一項性質都應追溯到某個特定結構特徵。導電性告訴你電荷可以移動，但它不會自動告訴你為甚麼電荷可以移動，也不能單憑這一點決定必須存在哪種鍵結。

15這個概念接下來能讓你做到甚麼

結構和鍵結讓你能夠把微觀模型轉化為宏觀性質的預測。

當你遇到一種新物質時，現在可以問：

• 結構由甚麼粒子組成
• 是甚麼把這些粒子維持在一起
• 哪些粒子能夠移動
• 哪些吸引力必須被克服
• 當物質熔化、彎曲、溶解或導電時，其排列如何改變

下一個有用的步驟，是使這些比較更精確。對分子物質而言，這表示利用分子極性、氫鍵、色散力、分子大小和形狀來解釋熔點和沸點的趨勢。對離子物質而言，這表示把離子電荷和離子半徑與晶格吸引力的強弱連繫起來。

性質是你觀察到的現象。結構和鍵結則是對這些現象的解釋。