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探讨化学键的本质

投稿时间:2015-08-24 16:31 投稿人:马勋涛 【字号: 访问量:

化学键的本质是什么?一直是人们长期不懈所追寻的目标。对于最基本的化学键类型离子键,概念总是强调正负离子之间的相互作用,却往往忽略为什么都是中性原子却有的要被迫失去电子,而有的却容易得到一个电子。这才真正是化学键之所以产生的原因。

对于共价键,人们认识到共用电子对是共价键形成原因,但是却没有考虑同种电荷相互排斥的因素,仅仅从表面上认识了共用电子对的作用。

对于金属键,往往认为是自由电子对金属正离子的胶合作用。鲍林对金属键强度的总结分析认为过渡元素的六、七、八副族元素,有6个电子参与了化学键的形成,然而被认为形成金属键的自由电子是少数的,且随着温度的下降而减少,在0K,电子的能量都在费米能级以下,完全不存在自由电子,而金属键却更加坚固,可见,我们并没有真正认识的金属键的本质。

分子间力是分子间存在的瞬间偶极作用造成的,却是很不错的观点,但是人们却不会举一反三,那么,原子、分子之间比较强烈的偶极作用是否会形成化学键呢?

那么,如何寻求化学键的本质呢?她不在别处,在于原子结构自身的矛盾性。

核外电子在原子核的中心力场作用下,按照一定规律排布在原子轨道上面,以绕核运动的方式中和原子核的正电场,使得原子呈现出电中性结构。而当原子结构为惰性气体元素结构时,原子呈现出最为理想的电中性状态,原子一般只能呈现出瞬时的偶极性,这样,偶极互吸,就产生了分子间作用力。

而其他的原子状态都不甚理想,且产生了周期性的两极分化状态。

1、核外电子分层排布使得原子结构呈现周期性变化

为什么电子会产生周期性排布?因为电子的周期性排布会降低电子之间的排斥力,使得体系能量最低。仔细分析可以发现,每一电子层所能容纳的最多电子数为2n2,2代表对称性,可以使电子之间的排斥力最小化,n2是面积,表明每一个电子层面能够容纳电子多少的性质。从这里可以看出电子之所以要分层排布的一些端倪。

2、原子性质呈现两极分化现象

不论每个电子层有几个电子,原子核的正电场总是分布在整个电子层,而电子总是排布在能量最低的轨道上面,其他空轨道相当于分散了一部分正电荷,这样,电子数少,就会减少对核电荷的中和(屏蔽)作用,因此受到核的吸引力就比较小,故原子半径大,第一电离能较小,从外表看,相当于原子发生了极化作用。电子数的增加,空轨道数目减少,被极化的原子的正电荷集中在少数空轨道上面,因此这些空轨道便具有了很强的吸引电子的性质,这样原子得失电子的性质呈现出两极分化现象。

原子得失电子的性质呈现出两极分化现象是离子键形成的根本原因。对众多化学键作研究分析可以发现,空轨道的作用其实比价电子更加处于主导地位。

3、空轨道、价电子、原子极化与共价键

原子的极化作用,使得原子之间产生相互吸引并且争夺对方电子的过程,如果发生了电子得失便会形成离子键,否则形成共价键。由于价电子与空轨道是相互关联的,且一个空轨道对应两个极化电子,每一个极化电子对应半个空轨道,这样,当极化的原子之间相互吸引时,必定是一个原子的极化电子填充在另一个原子的半空轨道上面,极化电子交替在两个原子核之间运行,就形成了所谓的共用电子对键,可以看到,将共用电子对的两个电子同时置于两个原子核之间的价键理论观点是很机械的、很不恰当的,反映不出共价键的本质。

与极化电子相关联的空轨道决定了一个原子得取电子呈现负化合价的性质,他往往使得自己原子的外围电子构型呈现八隅体结构,而价电子的多少则是原子受迫极化呈现正化合价的性质,处于被动状态,往往不能使自己的外围电子构型呈现八隅体结构,比如超价结构的出现就是例证。即使有了稳定结构的惰性气体元素如氙元素,也能被氟、氧等原子的空轨道强烈极化,形成化学键。

强极化的空轨道是共价键具有饱和性的终极原因,成键电子互斥是共价键产生方向性的原因。

原子极化是电中性原子能够形成化学键的原因所在。

4、配位键

许多金属化合物,似乎有很强的离子性,但是应该属于共价化合物的范围,在溶液中一般都认为发生了电离作用,形成金属离子,能吸引负离子以及具有孤电子对的分子形成特殊共价键——配位键。

从电离出多价离子到配合物中心原子的电中性原理,容易看出其中有矛盾存在——既然容易呈现电中性状态而又何必失去电子而电离呢?因此,电离则未必!溶解过程较多是与溶剂的再化合作用,产生与溶剂相适应的新极性共价键。既然中心原子本身就呈现强极性状态,那么它吸引负离子与极性分子就是很自然的行为。例如,三碘六氨合钴实际结构应该是氢碘酸三氨合三氨基钴,氢碘酸与氨基结合在一起,氨分子与钴极性相吸引。而碘原子根本就没有将钴氧化为正三价态的能力。

5、金属键

金属键,神秘而简单,为什么配位数与价电子不相关联呢?金属原子的电子结构,不是有很多空轨道就是由于电子层的增加,原子半径增大,原子对核外电子的吸引力减弱以致没有具有强极化性的空轨道存在。总之,金属原子都没有具有强极化性的空轨道。因此金属原子的极化具有分散性与弱化性的特点。又因为电子是在不停地绕核运动,因此不论原子在哪个方向上面都存在正电荷或者负电荷的几率。那么,金属原子便可以从任何方向对其他金属原子产生相互吸引作用,直至排斥力的平衡。这也是金属键价电子少却而配位数却可以很大的原因所在。由此可以看到价电子在化学键中并非起主要作用。

金属键与共价键区别的主要原因就是金属原子没有强极化性的空轨道,因此失去了方向性与饱和性。金属键中不存在电子离域的根据,金属之所以容易导电,是因为相互作用的金属原子之间共用了轨道空间,一旦某处缺少了电子,相邻的原子就可以给以补充,引起电子的迁移作用,产生电流。

通过上面对各种化学键的描述,我们可以认识到化学键的本质其实就是因为原子结构中电子在原子场中的运动情况不同,从而使原子发生不同的极化作用,极化的原子之间可以产生相互吸引作用。极化的原子在相对较远的地方仍然是电中性状态,化学键形成于原子半径附近。