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化学键 一个世纪的迷茫(一)

 闲之寻味 2014-11-13
11-1 14:05 |个人分类:物理新视点|系统分类:论文交流

                     原子是如何连接成物质

                                        晏成和

    金刚石硬、纯金软,钢铁有强度、能导电、能磁化、高温下能熔化……这些个特性是哪里来的?原子是如何连接构成物质?这是人们一直寻思的问题,也是当代科学应当回答的问题。有人会说,这些,我们早就知道了啊,我们在中学就学习了各种的化学键如:共价键、离子键、金属键。此外,在大学相关专业还讲授了不同物质中这三类键是几种键相互混搭、比例不同,称之为离子性比例;教科书还讲述了色散力、诱导力、取向力等各种不同的键力;这还不够,又讲述了σ键、π键、δ键……。 

   

     这些键理论貌似分类细致、面面俱到,实际上缺乏依据。因为所有键的构成理论与自然公理格格不入,而且在微观没有找到任何键的事实依据,我们先来看共价键。

现代教科书上说:“共价键是原子间通过共用电子对、发生电子云重叠而偶合成的化学键。”而美国学者Ira  N.Levine在其著作《物理化学》中说到化学键言语审慎:“化学家发展了各种各样的经验概念来描述成键;共价键稳定性的物理原因是一个没有完全解决的问题”。所言“经验概念”就是没有事实依据,理智的学者坦率地说出共价键的物理机制尚未解决,完全没有国内教科书的牛气和无畏。

 

自然现象:电子与电子同种电荷相斥,已被无数事实证明,已经妇孺皆知。而共价键理论说,该键是原子共用的外电子对重叠而成。既然是同种电荷相斥,电子与电子在重叠时怎么不发生相斥、反而偶合?共价键如果是共用外电子时重叠而来,电子与电子相斥的公理何在?科学不能够违背逻辑、自相矛盾。出尔反尔怎能反应自然的真实?由此看来共价键理论是虚妄的,给科学带来一个世纪的迷茫。

 

离子键、金属键也不经推敲,谁也不会先自动失去电子,然后与对方去争夺、形成相互的吸引,大自然不会这么荒唐,也不会三种键之后又制作σ键、π键、δ键等七、八种键;在物质内制造四、五种键力,把事情搞得异常复杂,因为大自然崇尚简单。

 

   那么,原子是如何连接成物质?

   以上《拜读大自然的质子、电子》说到,物质内只有质子场对电子及周围物质的吸引力和电子场与电场子斥力,电子与电子相斥。金刚石硬、钢铁有强度,表明物质内有强大的内聚力,这些内力只能来源于构成物质的原子、来源于质子对电子的吸引力;离开了质子对电子的吸引力这个最基本的自然力,所有的化学键力全都没有依据,那些五花八门的化学键是一百年前的瞎猜,之后几十年就迷迷糊糊传承。

 

   质子对电子的吸引力如何变换成物质的内聚力,还得要从核外电子的运转线路说起,大自然提示我们:物质的核外电子运动的线路、速率是规律的。可是,现有理论认为:核外电子在任何条件下,都是围绕着一个核心呈空间球形作无规则的运转——电子云,核外电子的规律运动是百年物理探讨禁区,面对物质有规律的结合,就只能编造“偶合”之类的荒唐键理论,使科研迷失方向。

自然事实是科学的本源,我们先来看看自然物质之原子的结合,也还是从自然事实说起。

      在常温下,在我们周围的大气里,氢、氧、氮气等同种元素的原子,它们总是两两紧密结合成分子存在着,在化学作业中,方程式中的的氢气、氧气在也要写成 O2、H2;写成 O1 、H3  就错了,为什么?这是大自然在告诉我们,同种元素的原子总是两两紧密结合,成双成对的存在着。

 

只有价电子数是2的氦和外电子数是8 的惰性气体,化学性质很稳定,能单独存在。这是大自然告诉我们——核外电子数达到8个就达到稳定状态。在化学实验中,较易发生的化学反应,一般都是使生成物的共有外电子数之和达到或趋近8 个(稳定状态)。在自然界,较稳定的化合物的价电子之和也是8或8的整数倍,如NaCl、CO2 、H2O。

 自然事实告诉我们,除惰性气体以外,每个原子都不能单独存在。同种元素的原子总是两两结合,成双成对;不同元素则结合成价电子之和是8或8的整数倍的化合物。有鉴于此,我们再来看原子是怎样结合、如何形成稳定状态的。

   电子的价和运转  质子对电子的吸引力是最基本的自然力,这个引力是没有边界的;原子核对电子的引力不会到了原子边缘嘎然而止,而是超出了原子、无限延伸,谁也没有理由把这种无限的作用力限制在一个原子范围内。

 物质的所有的质子引力都向外延伸——于是吸引相邻原子不稳定的外层电子,形成了外电子(价电子)共享。导致了核外层价电子的运行线路是:在两个原子核的作用下,包围着两原子核及内层电子形成椭圆形的轨道高速运转。

   

我们把原子核及内层电子叫做核心,把价电子包围两个核心、促使两核心紧密结合的运转叫做价和运转,参入价和运转的电子叫做价和电子。即包围着两核心的价和电子由两原子共享,同时把两原子稳固地结合起来。

根据泡利不相容原理,每个电子轨道上只能有一对电子运转。原子间的价和运转也遵循泡利原理,每个价和电子轨道上只能有一对电子运转。我们把一对价和电子围绕两个核心运转所结合成的整体叫做结构元。结构元如同是原子的家庭,是构成物质的又一级基本单位。

 

    除惰性气体以外,所有物质的原子都是两两结合成结构元,再由结构元构成大千的物质世界。

 

  •            

  •           固体      结构元       液体

  •                       图一

如(图一),中部:一对价和电子围绕两核心运转,形成结构元;左图:在固体物质中,价和电子在平面轨道上稳定运转,结构元间位置相对整齐固定,形成了稳定有序的固体架构;右图:在液态物质中,价和电子的运转轨道不在固定平面,物质的内聚力方向紊乱,不能形成连续架构,结构元之间如链如环挤在一起,不停运动。

 

   从元素周期表中,我们可以看到原子的内层电子都是呈2、8等排列成稳定壳层,所以内层电子一般不会参入价和运转。

  自然界有许多事物是在不同层次上的相似重复:原子结合成结构元;动物组成家庭;天体组合成共扼星系。

 

     结构元把质子对电子的引力演化成两原子的结合、构成了物质的内聚力,这是原子构成各种物质基本内力的惟一来源,没有包围两原子的价和运转,原子间的结合是不可能的,电子云理论把电子的运转思维定势在单个原子之内,无能交代物质的内力,那些杂七杂八的化学键全是没有依据的。

 

                                               2014-11-1修改

                   

参考文献:

1,晏成和:《物理新视点》,湖北人民出版社,2006。

2,IRA N.LEVINE[美]:《物理化学》,李芝芬等译,北京大学出版社,1987。

3,阎守胜:《固体物理基础》,北京大学出版社,2000。

4,C.基泰尔 [美]:《固体物理导论》, 杨顺华等译,科学出版社,1986。

 



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