共價鍵及巨型共價結構

上回提到不同原子有不同方法達至octet structure︰金屬原子會和其最外層電子分開而變成陽離子(Cation, Positively-charged ion)及Delocalized electron，後者會在前者組成的金屬晶體游走。如金屬原子再加上非金屬原子就會組成離子鍵︰金屬原子同樣會放出電子而變成陽離子，但今回放出來的電子就被非金屬原子搶去、合體做陰離子(anion, negatively-charged ion)。陰陽離子再合體就成為離子化合物。

但如果一開始只有非金屬原子，就不能像離子化合物的非金屬原子一樣有金屬原子提供電子。這些非金屬原子要達到Octet structure最方便的方式就是兩粒原子互相分享電子(share electrons)。而兩粒原子所分享的電子數量是AA制，如果兩粒原子擁有相同的最外層電子的話它們只要各分享相同的電子就可穩定下來(如H₂, Cl₂, N₂, Cl-F)。但如果兩粒原子擁有不同的最外層電子就須視乎最外層電子較少的原子還需多少額外電子，再除另一款原子需要的電子數量去找出其Chemical formula。例如由碳和氧要組成化合物，碳(最外層電子較少)需要4粒電子，氧(最外層電子較多)需要2粒電子，所以碳需要(4/2=)2粒氧才會穩定。故此由碳和氧會組合出二氧化碳CO₂。

(記著兩種不同元素的原子應以圓圈和交差分別代表不同的電子)

巨型共價結構

但比起金屬和離子鍵，共價鍵又有多強？如果你對鑽石的硬度有一點認識就不難理解。鑽石又稱為金剛石，但它絕不會像TVB的金剛一樣黝黑，亦不會像大腥腥金剛般脆弱，鑽石不但透明無瑕、在燈光照射下還會散出萬丈光芒；而它的硬度是繼超鑽石之後最硬的物質，所以它會用於不同類型的切割工具。由此可見要拆掉鑽石內的共價鍵所需能量是很高的(3642℃，雖然在DSE中會比較鑽石和其他物質的溶點，但事實上鑽石及之後提及的石墨只會昇華成氣體，所以嚴格來說它們是沒有溶點的。當然在考試中大家無須計較，佢話係溶點就叫溶點啦)。

鑽石的金剛不壞之身在於其結構內碳原子之間的共價鍵︰鑽石的成份是碳原子，它最外層電子有四粒，所以一粒碳原子會與另外四粒碳組成單鍵(single bond)組成以下結構︰

驟眼睇鑽石的結構有點複雜，但其實都只是把虛線內的四面體結構(tetrahedral structure)不斷重複。大家如需畫出這結構，可以先畫虛線內結構，然後在下面三粒碳再畫同樣的tetrahedral structure，組合出一個六角體(紅色碳原子示)。

這個巨型分子結構的大小視乎碳原子的多少，我們肉眼看見的鑽石就是由純碳組成。想不到吧，平時看見富含碳的物質︰煤、炭、石油，通通是黑漆漆的，但原來單純由碳組成的鑽石卻是透明的。所以這神奇的物質還可以被賦予另一個重要任務。

講起鑽石大家或者會更熟悉電視劇中求婚的片段。求婚的方法多不勝數，但幾乎全部都是前奏，到了鑽石戒指亮相才是高潮所在。男方要對方接受自己的心意未必容易，單用天長地久、海枯石爛通常都不足以打動女方的心(可能是不夠誠意)，所以總需要一些信物證明自己的心意。鑽石戒指幾乎是求婚必備品，仿佛展示自己求婚的決心像鑽石一樣堅定、對這段愛情像鑽石一樣會恆久不變。但鑽石再堅硬都改不了自身由碳組成的命運，於高溫及氧氣濃度高的情況下鑽石會燒成二氧化碳。所以男士求婚遞上閃爍的鑽石戒指時千萬不應用赴湯蹈火，如果女方對化學稍有認識就只會覺得這段愛情經不起考驗，男方就難逃失敗的命運了。所以一段愛情能否開花結果除了講求一直以來累積的感情、誠意和些少運氣之外，最好再多些少化學知識。

鑽石只是碳的其中一種結構，一種物質可以以不同結構出現，這些結構又稱為同素異形體(Allotrope)。氧除了可以由兩粒雙原子(O₂)結合起來，還可以由三粒氧原子合體而成臭氧(Ozone O₃)。而碳另一個形態就是鉛筆內的石墨。

吓醫生唔係話鉛筆係用鉛製造架咩？咁可能係醫院的工作真係太太太辛苦令醫生痴左線。如果鉛筆真的用鉛造出來那整個鉛水風波的危機根本就子烏虛有(如果有打錯咩野千其唔好話我我諗我只係比常人飲多左少少水)。

講返舊石墨，裡面的碳原子會與另外三粒碳原子組成單鍵，形成蜂巢般的平面結構(Planar structure)，而平面碳結構之間是由一種叫范德華力(Van der Waals force)的靜電力互相吸引︰

喂呀蔡蛇你一開始又話non-metal atom要互相share電子先會穩定架喎，一個華麗轉身就依家既我打倒一分鐘前既我。但呢度要講明兩件事︰第一係碳原子雖然得3粒電子組共價鍵，但剩低個粒唔係戇居居留係粒碳度，而係o係個平面結構度周圍走、成為離域電子Delocalized electrons，所以石墨與其他非金屬不同之處在於佢同金屬都可以傳電(乾電池用的電極棒就係石墨)；第二有些分子真的沒有Octet structure但一樣夠穩定，之後o係Microscopic World II會再提及。

范德華力比起共價鍵弱得多，所以要將之拆解相對要較少能量。我們日常使用的鉛筆之所以可以在紙上留下痕跡就是由於石墨在寫字的過程中與紙相互摩擦，當中形成的熱能就足以將范德華力拆散、令部分石墨留在紙上。不過即使范德華力如何弱，要將石墨由固體轉成液體一樣需要拆散碳原子之間的共價鍵，高能量要求底下石墨的「溶點」和鑽石同樣高。

要注意只一層碳平面結構是稱為Graphene，兩層或以上Graphene的結構才稱為Graphite。

鑽石還有另一個朋友，就是二氧化矽。兩種原子之間會組成共價單鍵來形成巨型分子結構。而矽和氧分別需要4個和2個單鍵來達至Octet structure，所以它們分別要連接4粒氧及2粒矽、在結構上和鑽石有些分別。但如需在考試中畫圖就和鑽石的差不多，不過要清楚標記兩款不同原子及在旁加上標籤︰

它與二氧化碳的Formula很相似(CO₂ & SiO₂)，但大家要記著巨型結構的Formula是化合物內不同元素的比例，因此可以將ratio簡約(二氧化矽視乎大小含有不同數量的原子，有些有1000粒矽及2000粒氧、有些有10萬粒矽及20萬粒氧，所以要簡單交代二氧化矽的話用SiO₂即可)，而在之後講到的簡單分子，其Formula就代表該分子內不同元素的原子數量，所以千萬不要將數字簡約 (將其數字的Formula又稱實驗式empirical formula，這只在找尋某物質的molecular formula才會用到，之後只要用relative molecular weight就可將其轉成molecular formula)。如果同學還對此有疑問，可看看以下兩隻常見的有機化合物，兩者簡化後的empirical formula都是CH₂，那還如何分辨這兩款分子﹖

下回再解釋簡單分子及其與巨型共價結構的物質的分別。