| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.1.A |
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化合物的结构与性质
AP 化学 · 第 2 主题
2.1
化学键的类型
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个化学键(chemical bond)是把原子维系在一起的一种吸引。哪种类型形成取决于原子的电负性:

- 离子键(ionic bond):电子从一个金属转移到一个非金属(大的电负性差)。
- 共价键(covalent bond):非金属共享电子(小的差)。一个大但不巨大的差给出一个极性共价(polar covalent)键。
- 金属键(metallic bond):金属原子共享一"海"可移动的电子。

Form an ionic bond by electron transfer
An ionic bond forms when a metal gives electrons to a non-metal, making oppositely charged ions that attract; a covalent bond shares electrons instead.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| chemical bond | 化学键 | huà xué jiàn |
| Ionic bond | 离子键 | lí zi jiàn |
| Covalent bond | 共价键 | gòng jià jiàn |
| polar covalent | 极性共价 | jí xìng gòng jià |
| Metallic bond | 金属键 | jīn shǔ jiàn |
2.2
分子内作用力与势能
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.2.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
当两个原子接近时,一条势能(potential energy)曲线捕捉吸引和排斥的平衡。它在键长(bond length)(稳定的间距)处降到一个最小值,它的深度是键能(bond energy)。更短、更强的键坐在更深、更紧的势阱里;更多共享对(双键、三键)给出更短、更强的键。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| potential energy | 势能 | shì néng |
| bond length | 键长 | jiàn zhǎng |
| bond energy | 键能 | jiàn néng |
2.3
离子固体的结构
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.3.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个离子固体(ionic solid)是一个交替的阳离子和阴离子的重复三维晶格(lattice),由强的静电吸引维系。这解释它们高的熔点、脆性,以及为什么它们只在熔融或溶解时(离子被释放去移动)导电。晶格能(lattice energy)随着更大的离子电荷和更小的离子上升,所以 MgO(都是 $2+/2-$)比 NaCl(都是 $1+/1-$)熔化得高得多。

| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| ionic solid | 离子固体 | lí zi gù tǐ |
| lattice | 晶格 | jīng gé |
2.4
金属与合金的结构
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.4.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
在一个金属里,阳离子坐在一个浸浴在离域(delocalized)电子里的晶格里,这解释导电性、延展性和光泽。一个合金(alloy)混合金属:一个置换(substitutional)合金换入相似大小的原子;一个间隙(interstitial)合金(像钢)把小原子放进空隙里,使它更硬。



Slide layers in a metallic lattice
A metal is positive ions in a sea of delocalised electrons. The layers can slide without breaking the bond, so metals are malleable and conduct.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| delocalized | 离域 | lí yù |
| alloy | 合金 | hé jīn |
2.5
路易斯结构式
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.5.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
一个路易斯结构(Lewis diagram)把价电子显示为成键对和孤对电子(lone pairs),给大多数原子一个八隅体(octet)(8 个价电子;H 想要 2)。步骤:数总价电子、用单键连接原子、完成外层原子的八隅体,然后若中心原子不足则形成多重键。

Worked example. 画二氧化碳,$\text{CO}_2$。总价电子 $=4+2(6)=16$。把 C 放在中心;到每个 O 的单键用 $4$ 个电子并使外层 O 原子不足。完成八隅体迫使两个双键,$\text{O}=\text{C}=\text{O}$:每个 O 然后有两个孤对、C 没有,而所有 $16$ 个电子都放置,每个原子都在一个八隅体。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Lewis diagram | 路易斯结构 | lù yì sī jié gòu |
| lone pairs | 孤对电子 | gū duì diàn zi |
| octet | 八隅体 | bā yú tǐ |
2.6
共振与形式电荷
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.6.A |
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
当两个或更多有效的路易斯结构只在电子放置上不同时,真正的结构是一个平均——共振(resonance)。形式电荷(formal charge)(价电子减孤对电子减成键电子的一半)挑选最好的结构:形式电荷最接近零、而任何负电荷在最电负的原子上的那个。
Worked example. 在硝酸根离子 $\text{NO}_3^{-}$(一个双键、两个单键)里分配形式电荷。对 N(4 个键、无孤对):$5-0-4=+1$。对双键的 O(2 个孤对):$6-4-2=0$。对每个单键的 O(3 个孤对):$6-6-1=-1$。总量是 $+1+0+(-1)+(-1)=-1$,匹配离子的总电荷——一个结构画得正确的好检查。因为三个 O 原子由于共振是等价的,真正的离子有三个相同的键。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| resonance | 共振 | gòng zhèn |
| Formal charge | 形式电荷 | xíng shì diàn hè |
2.7
价层电子对互斥理论与杂化
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
2.7.A
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来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
价层电子对互斥(VSEPR)理论预测形状:一个中心原子周围的电子对(键和孤对)尽可能远地散开。数电子域给出几何(直线、平面三角、四面体……);孤对把键推得更近,弯曲形状。杂化(hybridization)($sp$、$sp^2$、$sp^3$)描述匹配那个几何的混合轨道。分子形状和键极性一起决定整个分子是否极性。


Worked example. 预测氨 $\text{NH}_3$ 的形状。氮有 $3$ 个成键对和 $1$ 个孤对——四个电子域,所以电子几何是四面体而杂化是 $sp^3$。孤对在形状里不可见但仍把键推到一起,所以分子形状是三角锥,键角约 $107^{\circ}$(比理想的 $109.5^{\circ}$ 稍小)。三个 N–H 偶极不抵消,所以分子是极性的。
键在原子轨道重叠时形成。每一个单键是一个 σ 键(sigma bond)——轨道沿着连接两个原子的直线头对头重叠。一个多重键增加一个 π 键(pi bond),由 $p$ 轨道在那条线的上方和下方侧向重叠形成:一个双键是一个 σ 加一个 π,一个三键是一个 σ 加两个 π。头对头重叠更有效,所以一个 σ 键比一个 π 键更强(更高键能)——这就是为什么一个双键比一个单键强,却不是两倍强。一个 π 键还锁住两个原子使它们不能绕键旋转;所以一个 C=C 双键有固定的顺式(cis)和反式(trans)形式——几何异构体(geometric isomers),这是一个自由旋转的单键永远无法显示的。
Worked example. 数一数乙烯 $\text{H}_2\text{C}=\text{CH}_2$ 里的键。四个 C–H 键是单键(每个一个 σ);C=C 是一个 σ 加一个 π。所以乙烯有 5 个 σ 和 1 个 π 键,而那一个 π 键正是阻止两个 $\text{CH}_2$ 端相对扭转的原因。
Predict molecular shape with VSEPR
VSEPR: electron pairs repel and spread as far apart as possible, setting the molecule's shape. Add bonding and lone pairs and watch the geometry change.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| VSEPR | 价层电子对互斥 | jià céng diàn zi duì hù chì |
| Hybridization | 杂化 | zá huà |
| sigma bond | σ键 | σ jiàn |
| pi bond | π键 | π jiàn |
| geometric isomers | 几何异构体 | jǐ hé yì gòu tǐ |
2.7
考试技巧
- 从原子决定键类型:离子(金属 + 非金属,电子转移)、共价(非金属,共享)、金属(离域电子的海)。
- 一个离子固体只在熔融或溶解时(离子自由移动)导电,作为固体从不。
- 画路易斯结构以满足八隅体(H 想要 2),然后用 VSEPR ——电子对尽可能远地散开——来预测形状。
- 孤对占据空间并把键推得更近,弯曲形状(水是弯的、氨是锥形的)。
- 一个分子能有极性键,却整体上非极性,若它的对称使偶极抵消($\text{CO}_2$)。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。