两个非金属原子相遇
钠和氯相遇，钠把电子交给氯。可是氢原子和氯原子相遇时，两个原子都想得到电子，谁也不肯把电子交出去。它们的办法是：各拿出一个电子，组成一对两个原子共用的电子对。这样，氢原子周围有了 2 个电子，氯原子周围有了 8 个电子，都达到了稳定结构。
共价键
原子之间通过共用电子对所形成的相互作用叫做共价键covalent bond。共价键一般在非金属原子之间形成，它们的电负性相差不大，谁也不能把电子完全夺过来。
- 只含共价键的化合物叫做共价化合物covalent compound，如 H₂O、CO₂、HCl、CH₄。它们大多由分子构成。
- 非金属单质（如 H₂、Cl₂、N₂）的分子里也是共价键，但它们不是化合物。
表示共价分子有几种写法。人教版课本的电子式electron-dot formula把每一对共用电子画成两个点，夹在两个原子之间；结构式structural formula把每一对共用电子画成一条短线，其他电子都不画。美国教材的 Lewis 结构介于两者之间：共用电子对画成短线，没有参与成键的孤电子对lone pair仍然画成点。以水为例：
单键、双键和三键
两个原子之间可以共用一对、两对或三对电子，分别叫做单键、双键和三键。共用电子对的数目叫做键级bond order。
氧原子有 6 个价电子，还差 2 个，所以两个氧原子共用两对电子；氮原子差 3 个，所以两个氮原子共用三对电子。
σ 键和 π 键
从原子轨道的角度看，共价键是两个原子的轨道重叠形成的，重叠的方式有两种：
- σ 键sigma bond：两个轨道沿着两个原子核的连线“头碰头”重叠，电子云集中在两核之间。任何单键都是 σ 键。
- π 键pi bond：两个 p 轨道“肩并肩”重叠，电子云分布在两核连线的上下两侧。π 键重叠得少，一般比 σ 键弱。
双键中有 1 个 σ 键和 1 个 π 键；三键中有 1 个 σ 键和 2 个 π 键。
键长和键能
描述共价键的物理量叫做键参数：
- 键长bond length：形成共价键的两个原子的核间距。
- 键能bond energy：气态分子中 1 mol 化学键断开、变成气态原子所吸收的能量，单位 kJ/mol。键能越大，键越牢固，分子越稳定。
键级越高，共用的电子越多，原子被拉得越近：键越短、越强。C–C、C=C、C≡C 的键长依次是 154 pm、134 pm、120 pm，键能依次是 348、614、839 kJ/mol。
为什么两个原子靠近到一定距离就停下了？拖动下面的滑块，让两个氢原子从远处慢慢靠近，看势能怎样变化；再切换到“键长和键能”，比较几组键：
曲线用莫尔斯函数近似画出，这是描述化学键的常用模型。
数据：平均键焓和平均键长（298 K）。不同教材的表会相差几 kJ/mol。
例题 1：氮气分子
写出 N₂ 的电子式和结构式，指出分子中有几个 σ 键、几个 π 键。
- 数电子。 每个氮原子有 5 个价电子，还差 3 个才达到 8 个。
- 共用几对。 两个氮原子各拿出 3 个电子，组成 3 对共用电子，每个氮原子还剩 1 对孤电子对。电子式中两原子之间画 6 个点，每个氮原子外侧再画 2 个点。
- 检查电子数。 每个氮原子周围：3 对共用电子 + 1 对孤电子对 = 4 对 = 8 个电子；全分子 2 × 5 = 10 个价电子，正好是 3 对共用 + 2 对孤对。
- 结构式。 只画共用电子对：N≡N。
- σ 和 π。 两个原子之间最多只有 1 个 σ 键，其余是 π 键：三键中有 1 个 σ 键、2 个 π 键。N≡N 的键能高达 941 kJ/mol，所以氮气很稳定。
例题 2：读势能曲线
根据上面氢分子的势能曲线回答：（1）H–H 的键长和键能各是多少？（2）两个氢原子为什么不会无限靠近？
-
键长看曲线最低点的横坐标。 最低点对应的核间距是 74 pm，两个原子在这个距离上势能最低、最稳定：键长 74 pm。
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键能看最低点有多深。 最低点的势能是 −436 kJ/mol，两个原子相距很远时势能为 0：
拆开 1 mol H–H 键要吸收 436 kJ 的能量：键能 436 kJ/mol。
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不会无限靠近。 核间距小于 74 pm 时，两个带正电的原子核之间的排斥迅速增大，势能急剧升高。吸引和排斥在 74 pm 处达到平衡。
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注意符号。 键能是正值（断键吸收的能量），曲线上的 −436 kJ/mol 是成键后体系的势能。
- H₂
H–H 是单键，只有 1 个 σ 键。
- N₂
N≡N 三键：1 个 σ 键和 2 个 π 键。
- O₂
O=O 双键：1 个 σ 键和 1 个 π 键。
- CO₂
O=C=O 有两个双键，每个双键有 1 个 π 键，共 2 个。
- HCN
H–C≡N：C≡N 三键里有 2 个 π 键。
- C₂H₄
两个碳原子之间是双键，含 1 个 π 键；C–H 都是 σ 键。
- C₂H₂
H–C≡C–H：碳碳三键里有 2 个 π 键。
- CH₄
四个 C–H 单键都是 σ 键。
- CH₂O
C=O 双键里有 1 个 π 键。
常见误区
误区 1：“共价键只存在于共价化合物中。” H₂、Cl₂ 等单质分子里有共价键；离子化合物 NaOH 的 OH⁻ 内部也有共价键。只有“只含共价键的化合物”才叫共价化合物。
误区 2：“双键的键能是单键的两倍，三键是三倍。” C=C 的键能是 614 kJ/mol，不到 C–C（348 kJ/mol）的 2 倍。双键中多出来的那个键是 π 键，它比 σ 键弱。
误区 3：“水沸腾时，水分子里的 O–H 键断开了。” 沸腾只是水分子彼此分开、变成水蒸气，水分子本身没有变（2.4.8 节）。要拆开 O–H 键，需要两千多摄氏度的高温。
即时小测
下列分子中，含有三键的是？
氮原子差 3 个电子达到 8 个，两个氮原子共用三对电子，形成 N≡N 三键。O₂ 和 CO₂ 中是双键，H₂O 中是单键。
关于键长和键能，下列说法正确的是？
H–F 的键能（567 kJ/mol）远大于 H–I（299 kJ/mol），HF 更稳定。一般来说键越长、键能越小；C≡C 的键能（839 kJ/mol）不到 C–C 的 3 倍；π 键一般比 σ 键弱。
小结
- 共价键是原子之间通过共用电子对形成的相互作用，一般在非金属原子之间形成；只含共价键的化合物是共价化合物。
- 电子式把共用电子对画成两个点，结构式画成短线；Lewis 结构用短线表示共用电子对，并画出孤电子对。单键、双键、三键分别共用一、二、三对电子。
- 单键是 σ 键；双键含 1 个 σ 键和 1 个 π 键，三键含 1 个 σ 键和 2 个 π 键。键级越高，键越短、越强；势能曲线的最低点给出键长和键能。
通往 AP（以后再看）
AP U2.2 常考势能曲线：最低点的横坐标是键长，最低点的深度是键能。比较两条曲线时，原子越大，最低点越靠右（键越长）；键级越高，最低点越深（键越强）。U2.7 要求数出分子中 σ 键和 π 键的个数，方法和本节相同。