第2节：化学键

化学键

化学键将原子聚集在一起，形成紧密的、或多或少稳定的相互作用。化学反应中化学键的形成和断裂是建立和改变物质的原因。这在每个活细胞中随时都在发生，并使大分子和复杂的有机结构得以产生。

在本节中，我们将讨论不同种类的化学键和其他种类的相互作用。

共价键

两个原子之间最强、最稳定的相互作用是共价键。为了填满价电子层并达到高度稳定的状态，两个原子可以共享电子对，形成所谓的强共价键。

在图示例子中，两个氢原子各自共享唯一的电子，从而形成一个键。由于氢只有一个电子层，而这个最内层最多可以容纳两个电子，两个原子便以这种方式填满了价电子层。纯氢通常以 "H₂" 的形式存在。

在生物学中，氢和碳之间的键无处不在。一般来说，只有价电子参与成键；碳原子的最外层有四个价电子。这个电子层是第二层，最多可容纳八个电子，因此碳还需要四个电子才能达到最稳定的构型。除单键外，原子还可以形成多重键，例如双键和三键。图片右侧展示了化学结构最常见的表示方式：用元素符号之间的线表示化学键。

键线式

由于氢和碳之间的键在有机化合物中非常普遍，我们经常使用一种简化的方式来描绘分子结构。只画出除氢以外的碳与其他原子形成的键，而碳则隐含在结点和裸端点中。与氢的键被完全省略，因为氢的数量可以从一个碳原子与其他原子形成的键的数量推断出来。

典型成键数

对生物学家来说，关于共价键最实用的信息之一，是六种最重要生物元素在分子中通常形成多少个键。这个数值称为“化合价”，它直接对应原子在价电子层中为达到稳定构型所需的电子数。

离子键

在某些元素的原子相互作用中，例如钠（Na）和氯（Cl），电负性较高的一方（这里是氯）对电子的吸引非常强，不会与另一方共享那个价电子，而是直接夺取它。这样，原子转变为带电离子，并通过静电吸引结合在一起。这种相互作用称为离子键，相对较弱，强度大约只有共价键的十分之一。

氢键

在某些情况下，不同原子对电子的吸引力（“电负性”）差异很大，但还不足以发生完全的电子转移。于是分子内部会出现部分电荷（∂⁺/∂⁻）并产生极性，水分子就是一个例子。不同含氢分子中带相反部分电荷的区域可以形成所谓的氢键。氢键相对较弱，强度与离子键相近。

在下一节中，我们将学习化学反应中这些相互作用如何发生变化。