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若贝尔奖圈 关于原子核外电子的排布和运动及价键理论的一点不同议见

 物理网文 2015-03-06

关于原子核外电子排布和运动及价键理论的一点不同意见

    世界是由无限多的,在没有起始的时间,没有止境的空间里,不停运动的物质组成的。①②③④⑤⑥⑦⑧⑨

    现在的电子排布理论认为:①核外电子依据电子对核的距离由近到远而划分为1-7个电子(主)层。②电子(主)层由于电子层的形状不同,又可划分为若干亚层,各亚层分别用S、P、D、F等字母表示,第一电子(主)层只有1个S亚层,第二电子层有S和P两个亚层,第三电子层有S、P和D三个亚层,第四电子主层以后才有S、P、D和F四个亚层。③轨道的数目(电子层的伸展方向)S亚层只有一种伸展方向,表示S亚层只有一条轨道,P层有3条轨道,D层有5条轨道,F层有7条轨道。④轨道上的电子数(电子的自旋)每条轨道上只能容纳2个电子,而且自旋方向必须相反。⑤原子的能级,同一原子中,电子离核愈近,能量越低,反之,离核越远,能量越高。又因电子轨道是划分为若干主层和亚层的,各层之间并不是连续相接的,而是一档一档的划分开来,所以电子在个轨道上的能量,也是按一级一级来划分的,这就是所谓原子的能级,每增添一个主层,就增加一个新的能级,这个能级比前一能级高0.7个能级(把一个层间距作为一个能级)。⑥按照能级理论,元素周期率中的7个周期,是由7个能级构成的,而不是由电子主层决定的,在第四族以后出现能级交错现象。如在第六能级就有第四主层的4F轨道,第五主层的5D轨道。⑦如果把一个能级组合成一个主层,那么第一层就有2个电子,第二层8个,第三层8个,第四层18个,第五层18个,第六层32个,第七层未满。新的亚层上轨道按1、3、5、7的规律增加。 

47)既然能级组是把相近的能级轨道化为一组的。第五能级组中5S与第四能级中的4P只相差0.3,而与5P相差0.7,为什么不把5S和4P化为一组,而把5S与5P化为一组。2、在第六能级组中,电子分为三个亚层,即最外层6S和6P外数第二层5D,外数第三层4F,既然离核越近,能级越低,反之越高,为什么能级最低的6S却要排在相对离核最远的最外层。另外,6S和6P各为1个独立的亚层,为什么又会合成一个亚层呢?3、原子在核外增添电子时,在第三能级组以后,就出现了不按规律增添的现象,如第五周期的铌,按能级理论,应是4T35S2实际却是4T45S1,另外钯应是4D85S2,实际却是4D10,说这是由于全空和全充满的原因,为什么第四周期的镍却是3D84S2呢?现在的理论说是由于钻穿和屏蔽效应的原因,但它却明显的表现出人为的去符合实验事实的痕迹。4、形成共价键是由于自旋方向相反,电子云互相重叠的结果,原子在形成共价键前必须先形成未成对电子,成对电子先激发到空轨道上形成未成对电子,两个氮原子相互接近时,不能形成共价键是因为氮没有未成对电子,没有可供激发电子的空轨道,但是氮却能发光,发光的原因也是由于电子激发到能量较高的轨道,又回到原先的轨道的。5、杂化轨道理论的提出,就本质而言,就是对现有理论提出一种挑战,因为它提出了现有理论无法说明的实验事实。6、现有理论认为:电子是绕核旋转的,是分为不同亚层的,每一亚层上的空间范围(轨道)S亚层好像两上下相接的鸡蛋8,P亚层好像是个纺锤体,对称分布在空间(  ),那么电子是怎样在这样的空间范围内绕核旋转的,换句话说:电子不论怎样绕核旋转,都不能转出这样的形状来。

对于以上的问题分析和研究后认为,现在的原子核外电子的运动和排布规律,包括元素周期表和价键理论是有一定欠缺的,它是人类对物质世界认识过程中的一个阶段。随着人类对物质世界的认识的不断深入,实验手段的不断进步,它的欠缺必然会逐步得到完善。对此,我想谈一下我个人的看法。1、原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的,绕核高速旋转的的电子构成的,原子核由质子和中子构成。2、核外电子绕核高速旋转所产生的离心力加上内层和同层电子对它的排斥力等于原子核对这个电子的吸引力加上外层电子对它的排斥力。3、原子核所带的正电荷和核外电子所带的负电荷的吸引力和核外电子相互之间的排斥力都是有一定的空间范围的。它们遵守库仑定律在真空中两个点电荷间的作用力跟它们的电量的乘积成正比,跟它们间的距离的平方成反比F= 。4、核外电子在绕核高速旋转时,它的库仑力即与其它电荷的作用力的空间范围也和电子同时运动。在此基础上,提出下面的设想,原子核外电子的排布主要是由库仑力和空间位置来决定的,各层所拥有的电子数是由原子核对电子的吸引力所能达到的空间范围能容纳多少个电子互相排斥的空间范围所决定的,原子只有主层之分,并无亚层之分。(1)氦原子有两个电子,假设每个电子的斥力范围的半径为160个原子单位,在没有外力的情况下,它们之间的最近距离是320个原子单位,由于原子核要对它们的吸引力是它们之间的距离缩小到80,两个斥力的范围各自形成近视半球状,合成一个近视球状的斥力范围,它以原子核为圆心,由于核外这个斥力场的存在,使氦原和其它原子靠近时,其它原子的核外最外层电子无法进入它的引力场范围内,这是氦原子成为惰性元素的根本原因。(2)锂原子比氦原子多一

个电子、质子和中子,使它的核的吸引力增加,产生两种效应。①对核外第一层的两个电子和氮原子相比吸引力,相对增大,是它们离核的距离相对来说靠近一点。②这个吸引力能够超出第一层电子所形成的斥力范围,两种效应合起来就是锂原子核对第二层上的这个电子有了足够的吸引力,使它绕核旋转而不走失。(3)随着核内质子和中子数的不断增加,这两种效应不断加大(由电负性表现出来),原子半径不断缩小,通过铍、硼、碳、氮、氧、氟一直到氖,核外第二层已有8个电子,这8个电子的斥力场范围已将氖原子核的引力场能达到的范围占满,在外围形成一个球状的斥力场,使其它原子的外层电子不能进入氖原子的吸引力范围,使氖原子成为惰性元素。(4)钠原子比氖原子多一个电子、质子、中子,使它能在第三层排布电子,这样一直到氩原子最外层也有了8个电子,由于核电荷数的不断增加,核对核外电子的吸引力也越来越大,致使原子半径相差也逐步缩小,使氦原子和氖原子的半径相差并不太大,93和112相差19pm,考虑到电子在绕核旋转时相互影响及其它原因,使氩和氖原子的最外层都最多只能容纳8个电子。这样,以相同的原因,每隔两层增加一个新的电子层,形成了周期表中一层2个,二、三层各8个,四、五层各18个,六层32个,七层按推理也是32个的情况。(5)随着电子层的增加,原子半径势必增加,引力减少,原子核电荷数的增加引力增加,这两种力基本抵消,减少略大于增加,这从同族元素的电负性逐步减少可表现出来。(6)每个原子主层的最外层并不都是8个电子,就是说原子只有7个主层,并无亚层之分,除第一层外每一层都有8种元素在性质上十分相似,是因为2-3层只有8个电子,其它4、5、6、7层都有比惰性元素多1、2、3和少1、2、3、4个电子的结构,元素的结构决定元素的性质,它们有着相似的结构,就必然会有相似的性质。这样一来,现在的元素周期表的排法就有一点不妥之处,按我的看法,应排成这样,每层元素都一分为二,前半数按每层1号元素对齐排布,后半数按惰性元素对齐排布,每个元素各占一格,考虑到排版的因素,也可将6、7层比4、5层多的14个元素抽出另排。(7)原子在高温电能;光能等外来能源的激发下,核外电子能跃迁到较高的能级上去,但是,这只是在同层的范围内活动,一般不会超过另一层去,所以不会影响到它的化学性质,如钠原子比锂原子多一个电子层,它们的半径相差31pm,电子层的差距一般在30pm左右,氢原子的激发轨道全部在30pm,激发能级是不能和电子层之间的能级相提并论的。

    根据以上的假设,不难推理出一种新的价键理论。化学上把紧密相邻的两个或多个原子(或离子)之间强烈吸引的相互作用称为化学键。新的价键理论认为,化学键是由静电引力和空间位置来决定的,正电荷以核为中心,成球状向外扩散,它的强度和电荷数成正比例增长,负电荷以电子为中心成球状向外扩散,它的强度始终不变,两个原子之间能否成键,取决于一个原子或多个原子互相的电子能否进入对方的引力范围,化学键是两个原子核对其共用电子的吸引所形成的,这里没有离子键、共价键、金属键之分,只遵守同一规律。(1)惰性元素的引力场范围被斥力场范围所占满,所以它一般不会和其它元素形成化合物。(2)碳原子外层有四个电子,也就是有4个斥力范围,它属于第二周期,它的引力场可容纳8个电子,即碳原子核外还可容纳4个电子。它跟氢或卤素形成稳定而又极难反应的CX4化合物,是因为这些碳原子的引力场范围又可容纳4个电子的斥力场范围,氢与卤素都有一个可容纳一个电子斥力场的空间范围,化合时,碳原子的4个电子的分布在核外,氢或卤素的原子的引力场所空的可容纳一个电子的地方正好对着碳原子的一个电子。碳原子的4个空位置被氢或卤素的电子所占满,这样的化合物的周围被氢或卤素的斥力场所占满(严格的说氢和卤素是有区别的)。(3)氯化钠化合时,并不是钠原子的一个电子被氯原子吸取,形成钠离子和氯离子,再由钠离子所带的一个正电荷和氯离子所带的一个负电荷的互相吸引组成氯化钠,而是由钠原子核和氯原子核对钠原子核外的这个电子的共同吸引形成化学键的,化合时,钠原子核外这个电子进入氯原子核外引力场范围内还可容纳一个电子斥力场的范围的空间。钠原子核和氯原子核对这个电子同时具有吸引力,但是钠原子核外层的引力场范围可容纳8个电子,现在只有一个电子,所以氯化钠分子中的钠原子还空着7个位置,于是氯化钠分子之间的钠和氯相接,又形成一个弱的化学键,许多氯化钠分子组成氯化钠晶体,这就是离子晶体没有方向性和没有饱和性的原因,由于原子键远强于分子键(严格说,分子键也是原子键,它们也是两个原子之间共用电子形成的,只是为了把它们分开)。氯化钠晶体容易破坏,氯化钠分子相对来说,却难以破坏。(4)金属晶体之间的化学键问题,一直是化学家感到棘手的问题,金属原子之间引力相同,不可能形成离子,依靠正负离子的吸引成键,但它却表现出离子键的没有饱和性和没有方向性,金属晶体能导电,离子晶体却不能。金属晶体之间的化学键在新的价键理论看来,却是顺理成章的。钠原子核外层引力场可容纳8个电子,钠原子核外层有一个电子,还空着7个位置,成键时一个钠原子被8个电子紧密包围着,像氯化铯晶体那样组成体心立方晶格,每一个电子同时被8个钠离子紧密包围着,所以金属晶体像离子晶体那样没有饱和性和方向性。它和离子晶体不同的地方在于构成晶体中晶格的成份不同,离子晶体的晶格是由不同元素的原子构成的,金属晶体中晶格是由同一种元素的原子构成的,在性质上就表现出它们的不同性。综上所述,原子之间是否能成键,是它们其中1个或相互的电子能否进入对方的引力场决定的,一般地讲,能否进入对方的引力场是由以下因素决定的。(1)原子的引力场内必须有对方的电子斥力场进入的空位置,惰性元素没空着的位置,所以它们一般不能形成化合物。(2)空着的引力场范围必须和进入电子斥力场范围相对称,一个空位置只能和一个电子化合,两个空位置和两个电子,三个和三个等,反过来说,一个电子必须有一个空位置,如氯化钠、氯化钙等。(3)化学键还与成键原子的半径有关,如氮原子外层有5个电子可和氧形成五氧化二氮,却不能形成五氯化氮,是因为五氧化二氮在氧原子外围只有三个氧原子,而五氯化氮中,氮原子外围必须要有五个氯原子,不能形成五氯化氮可能是在氮原子的外围引力场空间里,不能容纳那么多的原子所决定的。(4)化学键和还原素的电负性有关,电负性由原素所处的电子层数和电荷数决定的,即层数减少,电荷数越多,电负性就大。例如氧和硫,它们的引力场都有可容纳2个电子的空间,由于电负性不同,即所处的电子层不同,它们的化学性质就有一定的差别。(5)前面说过,原子在高温、电能、光能等外来能源的激发下,核外电子能跃迁到较高能级轨道上去,这种活动一般在同一电子层内,对元素的化学性质没有影响,它却是一些元素能否发生化学反应的条件。如氢分子和氧分子在常温下并不发生反应,只有在点燃的条件下反应才能发生。这是因为,在氢原子中,电子的斥力场半径大于原子半径,电子在核的左侧时,它的斥力场范围已达到右侧一定的地方,它阻止了常温下氢分子和氧分子的化合,点燃后,电子受到激发,电子相对基态向核外移动了一定的距离,由于电子的斥力场没变,分子右侧的斥力场范围就减少一定的距离,是氢、氧分子各自的电子(氧原子也发生了相似的情况)进入到对方的引力场范围,反应发生。其它的情况是原子受激发后,电子离核距离增大,它的轨道就增大,电子数和斥力场没有变。在轨道上就留下空隙是其它原子的电子才能进入该原子的引力场。这可能是一些反应需要一定的外来能源的原因。

    新的价键理论的核心是库仑定律。原子核对外的引力场范围是由近到远逐步的由强到弱过渡的,在能吸住电子和不能吸住电子之间有个度,吸引力由于半径的扩大,由强到弱逐步过渡,若到度的这个地方,达到极点,超过度,就不能再吸住电子,但在这个度以外,引力场由弱到更弱依然存在着。原子中电子之间的排斥力也是一样的情况。电子在核外的排布是由核对电子的吸引力和电子之间的排斥力及空间位置来决定的。在此基础上,我想对现有价键理论不能充分说明的几个问题做以说明:1、对于电子在核外排布时,一条轨道只能容纳2个电子的看法,我现在有些新的想法,原子最外层电子的排布是由电子之间的斥力和核对电子的引力及空间位置决定的。如Bex2是直线形分子,Bx3是平面三角形分子,Cx4是正四面体形分子。这是因为它们只有这样排布才能距离相等,斥力相等达到力的平衡。2、关于硼烷的分子结构,目前公认的桥状结构虽然能较好说明硼烷分子的构成,但它不能满足外层8个电子全充满的要求,为此,我设想硼烷分子可能是这样构成的,即在同一平面内,两个硼原子各出一个电子和对方共用,形成共价双键,其余的四个电子分别分布在这一平面内分子的两头的适当位置,在垂直这个平面的另一个平面内,两个硼原子之间有两个氢原子的电子被硼原子所共用,其余四个氢原子的电子分布在两头适当位置。3、关于氢键,按我的价键理论认为,氢原子和相对来说核电荷数多、半径小的原子形成化合物就会形成氢键,原因是氢原子和这类原素形成化合物时,氢原子唯一的电子和其它原素成键后,在这个电子和氢核的对面,必然会空出一个可将近容纳一个电子的空间。在一般的化合物中,氢原子的电子的斥力场已达到核对面一定的地方,足以阻止其它电子进入这个空间,但是在和核电荷数多、半径小的原素形成化合物时,由于两个原子核之间的斥力相对增大,氢电子的斥力场达到核对面的位置相对减少,这样氢键便产生了。4、第二周期中8个元素和同族其它元素相比其性质有较大的差别。根据元素的性质是由元素的结构来决定,我认为第二周期的元素是有着不同于其它周期元素的内层电子结构的,第二周期元素的内层电子是由两个电子构成的,由于核对它的吸引力和它们之间的排斥,形成一个近似球状的斥力场,在这个斥力场上,有一个沟槽,锂、铍、硼的电子一定是在这个沟槽中绕核旋转的,碳原子外层有4个电子,沟槽内已不能容纳那么多的电子,由于电子之间的斥力,它外层形成正四面体形,4个电子只能在各自的轨道上运行,沟槽内只有一个电子就成为必然。关于碳元素为什么能形成金刚石(晶体)、石墨(层状)、碳黑(颗粒)等不同的物质和分子间力及酸碱理论,将在以后探讨。

    原有的电子排布理论,只是说明电子是怎样排布的,没有说明为什么是这样排布的,我的观点是不但要说明电子是怎样排布的,而且也要说明为什么是这样排布的,即不但要知其然,而且要知其所以然。

 

     冯金哲

2000年10月30日


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