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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 10.地区管理
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月04日11:19:18 星期天), 站内信件



　　　　　　 10. 地区管理

     
　　　　对王国早期的观察使我们看到，各个领地的某些特征显示出由北向南和
由东向西的趋势：根据不同的特征观察，王国的地势由西北海角朝着东南地区向
下倾斜，或者有规则地向其他方向倾斜。时而出现山岭，时而形成谷地，但并非
杂乱无章。即使领地各不相同，看来也是分类聚集：金属在辽阔的西部沙漠，非
金属在东部矩形地块，活泼的碱金属高山出现在最西边，卤族元素位于最东部。
王国是一个有组织的地方，经过我们了解，这反映着原子内电子结构的周期性变
化，可以认为，我们能够认识王国辖地内的区域性变化，也就是说能弄清楚一处
又一处元素性质的变化。

　　首先，我们已经知道，王国原子质量的变化几乎都具有规律（见图3）。而
且我们对这种规律性变化，已经根据原子核内质子和中子总数随原子序数的增加
（由氢的1增加到南部海岸的110 左右）而同步增加的情况，进行了说明。不过，
即使在一幅完善的王国地势图上，偶尔也会出现误差，这是因为人们采用的是样
品的平均质量，而样品由几种同位素混合组成，不是质量相等的同一种原子。门
捷列夫认为以前测定的原子量不正确。我们现在知道，这些误差在表示平均值的
地势图上是微不足道的。

　　此外，我们看到代表原子直径的地势，在一个周期的跨度内自西往东向下倾
斜，各周期间地势由北向南上升，在南部海岸的内侧高地，上升趋势出现奇怪的
停顿（见图4）。我们可以认为，王国大陆由北向南普遍升高是因为，随着元素
周期序数的增加原子中也相应地形成新的电子层。例如，锂的1个电子围绕着氦
型的核心，形成几乎是中空的壳层；往南的下一个元素钠也有1个电子形成类似
的壳层，不过壳层中是氖型的核心，而氖型的核心又包含着一个氦型的核心，依
此类推。随着周期序数的增加，元素的原子就像一层又一层的洋葱头那样，逐渐
增大。

　　要解释同一周期内自西向东的变化，并不很简单。乍看起来，令人感到奇怪，
因为原子随着所含电子数目的增加反而缩小了。然而，我们不能忘记原子核的作
用。当我们向东行走经过一个周期时，核电荷逐渐增加。增加了的核电荷以更强
的吸引力吸引周围电子，并且向内拖拽电子。不过，这种收缩作用又会受到电子
间排斥力的反作用，而且电子间的排斥力在同一个周期内又随着电子数自西向东
的逐渐增多而越来越强。一般说来（也就是几乎到处如此），收缩作用超过膨胀
作用，因而反映原子直径的地势是朝东下倾的。当接近地峡东端时，各处地势先
是上升，然后重新下降；不过，也有一两处的地势，并不遵循总趋势上升。在这
些地方，电子间排斥力增大所引起的原子膨胀趋势占了上风，胜过了原子核与电
子间吸引力增大所引起的原子收缩趋势。

　　有一个重要的哲学观点不能不予以注意。我们知道，反应原子直径的倾斜的
地势上偶而出现平缓的上升，是完全均衡的力的较量结果。即原子核对电子的引
力作用恰好达到了控制地势的程度，这种引力稍有减弱，王国就会向其他方向倾
斜。由几乎相等的均衡力这样来确定地势，是从各种角度看到的王国整个地势的
一大特征，这是化学上的一个基本特征。这就说明了为什么化学是一门如此微妙
的学科。在这个学科中，很难预料观测结果，因为往往难以确定某一特殊效应是
否处于支配地位，或者这一效应是否会起反作用。王国就像一个非常和谐的民主
国家，党派代表制近乎平等，不过有时左翼获胜，有时右翼获胜。

　　我们还必须说明，在反映原子直径的地势图上，王国南部地区特别平坦。你
应该注意到，如果把王国南部岛屿上的元素移到大陆的停靠地，使它们形成狭长
的次生地峡，那么出现在这些元素之后的一些地区，就变得平坦了。从这个线索
可以说明，确实存在着f地块上的各种元素，确实存在着f电子，这是地势变为平
坦的主要原因。这一解释至少部分地说明了，当我们在狭长的地峡上自西向东行
走时，核电荷逐渐平稳地增大，可以预料原子在慢慢缩小。此外f电子的分布犹
如一条细长的稀薄云团，它不能有效地屏蔽不断增大的核电荷作用。因此，原子
核的吸引力将占支配地位，原子在通过f地块时，会有相当明显的收缩。如果原
子不发生收缩，那么当我们重新进入真正的地峡时，那里的原子要比预计的大得
多。尽管原子序数，原子的电子数和原子质量都明显地增大了，但人们确实发现，
那里的原子直径与上一排的原子直径却是相似的。当南方岛屿的各个元素脱离大
陆停靠地重新返回大海时，仍然是地势平坦的一片平原。

　　现在我们看看图5中反映西部沙漠金属元素密度的地势。这一地势在接近南
部海岸处，特别是在铱和锇的领地，已达到喜马拉雅山的高度，并一直延续到铅。
这是在构成这些元素的原子时，把f轨道纳入原子结构体系的结果。由此可见，
根据f轨道这样看似隐约的抽象概念，是能对真实世界作出结论的。随后，请你
停下脚步，捡起一块铅，你可以认为铅的密度即来源于这些抽象概念，来源于这
些抽象概念对王国的支配方式。

　　由于地峡上原子直径的相似，上述隐藏地下的各种元素，在技术和商业的现
实世界中又一次地引起了沸腾。基于原子直径的相似，地峡上的元素能够彼此混
和，形成我们称之为合金的材料。这就好比一个食品商人，只要有点技巧，就能
很容易地把苹果和橘子码成一堆，不过要把橘子和西瓜码成一堆，就比较困难。
因此，冶金工作者能够把地峡上各种元素的原子混合起来，特别是使铬、锰、镍、
钻与铁构成现代工业合金。我们应当认识到，正是这些潜伏在王国地下深处的抽
象的d电子，使得我们的技术获得蓬勃发展。

　　其次，我们要把注意力转向那些易于丢失电子而形成阳离子的原子。电离能
地势图上的周期变动比原子直径地势图上的周期变动更为微妙，但总的说来，反
映电高能的地势，在王国西南方较低，朝着东北海角逐渐上升（见图6）。更概
括地说，这一地势在西部沙漠较低，而在东部矩形地块上称之为非金属的各个地
区较高。电离能地势图的倾斜方向与原子直径地势图的倾斜方向大体相反。这一
情况正是我们假定原子核（对电子的）引力占主导地位时所预料的。当我们从西
南向东北行进时，原子逐渐变小，原子的最外层电子越来越接近原子核，原子核
对外层电子吸引得也越来越紧，因而电离能增大。在整个西部沙漠范围，元素的
电离能都很小，原子很容易失去电子，所以那里的元素形成固态金属。金属中的
一排排阳离子就像陈列着的橘子那样叠放着，在四周弥漫的电子海洋作用下，它
们紧密地结合在一起。在矩形地块的东北部地区，原子很小，电子结合得很紧，
不易丢失，所以这里的元素是非金属。

　　我们可以借助已掌握的电子结构特征，通过某些方法，来充实我们的王国地
势图。首先，我们知道，第二电离能，即转移第二个电子所需的能量，要大于第
一电离能，因为第二个电子必须摆脱一个已带有正电荷的离子。不过，我们对反
映原子电子结构的电离能的增大，有一个模式。以钠为例，钠在类似惰性气体的
紧密核心（其结构为[Ne] 3s1 ）之外，有 1个电子。钠的第一个电子很容易转
移，只需要消耗5.1 电子伏的能量，但钠的第二个电子来自与原子核非常接近的
类似氖的核心，转移这个电子需要很大的能量（47.3电子伏，实际上约为转移第
一个电子所需能量的10倍）。从类似氖的核心排除电子是可以实现的（例如，太
阳中几乎所有的电子都是在热的作用下由原子发射出来的），不过总的来说，化
学过程涉及的能量都太弱，除了能转移第一个电子外，不能转移其他电子。

　　现在我们向东来到钠的邻居镁的领地。镁在[Ne]3s2 的核心之外有2个电子，
其中有1个电子极易转移（镁的第一电离能为7．6 电子伏）。镁丢失第一个电子
后，在[Ne]3s2 的核心之外的轨道上还剩下1个电子，这个电子距原子核仍然很
远，受到的吸引力很弱。因此，尽管转移镁的第二个电子需要较大的能量，但只
不过消耗15．0电子伏也就够了，这个数值远远小于使钠的核心破裂的能量。通
过常规的化学过程，就可以获得转移镁第二个电子所需要的能量。要从镁原子排
除第三个电子，有1个电子就得来自类似氖的核心。这一步所需的电离能非常大，
为80．l电子伏之多，用化学方法是难以达到的。所以，我们可以预料，镁形成
的阳离子带2个电荷，而钠形成的阳离子只带二个电荷。

　　类似的理论也适用于西部矩形地块上的元素，我们已经揭示了王国的另一个
周期变动规律。第一族元素能形成带1个电荷的阳离子，第二族元素能形成带2个
电荷的阳离子。这是化学家们观察的结果，西部地块上所有元素的化学特性几乎
都可以用以上观点解释。

　　王国东部矩形地块（p地块）上的金属元素不多，但我们期望能用类似的理
论进行解释。东部矩形地块上对工业来说最重要的一个金属领地是铝。这个元素
属于第十三族（旧分类为Ⅲ族），它的结构为[Ne]3s23p1，即在类似氖的紧密核
心外有3个电子。现在我们可以预料，铝这个元素大概能较容易地（即在化学能
量消耗范围内）失去3个电子，但不能失去更多的电子。这样推测的根据是，转
移3个电子开始需要的3级电离能分别为6．0电子伏、18．8电子伏和28．4电子状，
随后是能量的一个跳跃，即转移第四个电子需要120电子伏这样巨大的电离能。
化学家们当然知道，铝所涉及的所有反应几乎都是失去3个电子，不会失去更多，
但也难得更少。顺便说一下，至此我们可以理解，某些人之所以偏爱老的元素族
分类法的另一个充分理由，那就是Ⅲ族的3正好代表铝能形成带3个正电荷的阳离
子；而把铝分在第十三族反而表达得不那么直接。

　　王国这部分元素和西部矩形地块上各元素的不同之处，在于它们的电子转移
是发生在两种轨道上的。就铝而言，它的2个电子来自s轨道，而另1个电子来自p
轨道。可以推测，这里一定潜伏着另一种周期变动规律，只要对王国大地仔细观
察便可以发现这种规律。情况是这样的：当化学勘察者向南行进到第十三族元素
领地时发现，形成阳离子的元素领地在排列上有所变化。在最南部，多数反应只
失去p电子，形成带1个电荷的阳离子。在王国的这个地区，我们必须注意的是，
某些元素有双重性，即它们可以形成两种不同的阳离子，一种是失去外层的全部
电子，形成带3个电荷的阳离子；另一种是只失去最外层的p电子，形成带1个电
荷的阳离子。化学家们正是利用这一双重性以不同的方法制备出这些元素的不同
化合物。

　　东部矩形地块上元素丢失电子的数目可变性不仅仅是第十三族的特征，为了
说明这一点，我们再研究一下东面相邻的第十四族元素。这里是铅，电子结构为
[Xe]6s26p2，在类似氙的核心之外有4个电子。现在我们已经非常了解王国的规
律，完全可以推测出铅能相当容易地失去4个电子。要超越这一步丢失更多的电
子，就不得不打破像氖那样的紧密核心，使紧靠着原子核的电子释放出来，不过
这已属于物理作用的范畴，不是一般的化学过程中投入较小的能量所能达到的。
随着化学家们视野的扩大，可以推测电子能够分成截然不同的两群。某些反应只
能使铅最外层结合得最弱的2个6p电子丢掉。可以预期，如果反应力量更强，可
以使铅外层的4个电子全部丢掉，这样，类似氙的核心之外就没有电子壳层存在
了。于是，化学家们可以根据铅的阳离子能带4 个电荷和2个电荷的特点，开始
预测铅的化学性质。总的说来，情况就是这样。

　　我们还没有仔细讨论地峡的情况。d地块上元素的电子结构类似[Ar]4s23d5
（此为锰原子结构），对这种结构来说，化学反应能足以使2个s电子和数目不定
的d电子发生转移，从而形成各式各样的阳离子。生命的变化过程以及人类从王
国土地上建立起来的技术的上层建筑，正是受益于对原子丢失电子（以及与之相
反的获得电子）不局限于一种格式的认识。例如，铁在血红素核心中以4个血眼
的形式出现，它很容易改变血红素的电子组成，使血红素可以接纳氧分子并把氧
输送到人体需要的部位，然后再若无其事地把氧释放出来，从而促进人体健康。
凡需要电子促进生物细胞发生某些变化时，往往要靠铁的原子释放出电子。再如，
在地球上经由光合作用吸取太阳能而产生可用能源的地方，镁都执行着调整电子
的微妙任务。太阳能首先使电子释放出来，而后对释放出的电子进行调整，结果
产生我们所阐明的效应，使我们具有活动能力。

　　化学工业十分依赖地峡上的元素，化学工业的几乎每一种产品都要利用催化
剂。催化剂是能使我们所希望的化学反应加速进行的一类物质，如果没有催化剂，
一些本来可以实现的化学反应甚至会变得无法实现。几乎所有的催化剂都以地峡
金属元素释放电子为基础。

　　把氮固定下来可以制成肥料，为我们提供粮食。氮还可借助于铁迅速释放并
回收电子，改进我们的蛋白质。巴克特利亚（Bacteria）发现如何利用钼延长电
子的释放时间，以完成同一任务，而无需增加资金。主要来源于p地块的硫酸可
在铂和钒的催化作用下制成，硝酸则可借助于铑的催化作用产生。在各式各样的
特殊表面上，以及在作为催化剂的化合物上，来自地下的碳氢化合物发生分解、
断裂、混合、键合、扭转、延伸、固定、增大等等变化。所有这些社会的深层基
础，从生机勃勃的有机物质到工业的生存能力，从根本上看，都要利用隐伏在王
国机房下深处的d轨道这一抽象概念的现实性。

　　在概述阳离子的形成时，最后值得一提的是，阳离子的直径问题。阳离子形
成时，电子从原子最外的壳层被剥离开来，暴露出原子的核心，例如钠的阳离子
像是裸露的氖核心，镁和铝的阳离子也如此。因此，我们可以预料，在所有情况
下，阳离子的直径都远远小于母原子的直径。此外，阳离子直径的变化也反映了
母原子直径的变化。反映原子直径的地势图，除偶尔有丘陵和河谷出现外，总体
上是从王国西部沙漠的西南角朝着王国东北部向下倾斜的。

　　那么，阴离子的情况又如何呢？关于这个问题，王国的地下结构也能使我们
编织出一幅合理的织锦图案，不过不如阳离子的织锦图案那样丰富多采。因为，
在化学反应的环境条件下，阴离子形成时，它的直径几乎不变；而且阴离子的形
成只限于原子直径不变和变化不大的地区。我们在对王国的初步观察中发现，电
子的吸附能力和阴离子的形成，均以元素的电子亲合势力度量。当电子吸附在原
子上时，电子亲合势高的元素能释放出巨大的能量。此外，我们还发现，紧靠王
国东北海角的氟，是电子亲合势最高的元素。为什么会这样？王国这一地区的周
期变动规律又是怎样的呢？

　　需要回顾一下，氟原子的电子结构为[He]2s22p5，比满载的氖的壳层只少1
个电子。当1个电子吸附在氟原子上时，这个电子就进入原子的最外电子壳层，
并把这个壳层填满。由于电子间排斥力的增大，这时氟原子稍有膨胀。我们可以
预料，氟的阴离子（严格说，是氟化物离子）要略大于母原子。当电子进入氟原
子时，它能和电荷相当高的原子核非常靠近并吸附在原子核上，所以可释放出3．
4电子伏的能量。现在，我们研究一下在氟原子上添加第二个电子使氟离子带有2
个负电荷的情况。有两种作用妨碍着这一操作的成功。一是必须把第二个电子添
加到已经带负电荷的离子上，因而产生同性电荷的排斥作用，使最终目标无法实
现。在电子最终到达离子时，一直受到排斥，而且所有的轨道均已满载，它根本
不能进入外层轨道，不得不环绕着氖型的离子形成一个新的壳层，而且不能靠近
中心的原子核。氟的第二个电子一方面受到轨道上的电子排斥，一方面被远远隔
离在原子中心部位的原子核所吸引，而吸引力又非常微弱，因此对能量的投入者
来说，总的结论是没有吸引力，氟根本不能形成带2个电荷的阴离子。同样的结
论也适用于氟以南的其他卤族元素。它们都只能容纳l个电子，而不能再多。所
有的卤化物阴离子（如氟化物、氯化物、溴化物和碘化物等卤化物离子），都只
能带1个负电荷。

　　在王国北方海岸从氟再向西跨过一步，就是氧。氧的电子结构为[He]2s22p4，
其外壳层有2个空位，因而氧的性能大体是清楚的。氧易于接纳1个电子（释放出
1．5电子伏的能量），这个电子能从近旁的原子核处接受强大的吸引力。第二个
电子必须克服离子的负电荷作用，才能添加到氧原子上去，所以必须投入能量，
这与氟添加第二个电子的情况几乎一样。不过，这一目标是值得争取的。氧的带
有1个电荷的阴离子，其最外壳层还没有填满，第二个电子能在这个壳层上找到
落脚处，稳定下来，并与相距不远的原子核产生和谐的相互作用。不过，从氧的
带1个电荷的阴离子上产生带2个电荷的阴离子（氧化物离子），需要补充8．8电
子伏的能量，这个数值不大，可以从其他化学反应过程释放的能量获得。至于在
氧化物离子上添加第三个电子，是毫无希望的，因为这第三个电子必须添加在已
带有2个电荷的阴离子上，而一旦电子到达那里，必然处在氦型的密闭核心之外，
显然不能和中间的原子核相互作用。因此，可以预期，氧和氧以南的同族元素都
只能形成带2个电荷的阴离子。这就是化学家的发现。

　　现在我们可以返回基本上贫瘠的王国东部海岸，这里是惰性气体的驻地。惰
性气体的轨道都已填满，新来的电子只有在新壳层上占据一个轨道，才能附着在
原子上，而这个新添的电子将环绕在原子周围，远离中心处的原子核。在这样的
位置上没有能量效益，所以惰性气体的电子亲合势为负值。例如，把1个额外电
子固定在氖原子上需要1．2电子伏的能量，同样，把1个额外电子固定在氮原子
上需要1．0电子伏的能量。这些能量相当于保住已有电子的能量，而绝非增添电
子的能量。因此，惰性气体恰如其分地位于王国中基本上属于死角的地区。

　　最后要谈的是阴离子的大小问题。我们已知，氟和氟化物的阴离子大于母原
子，因为新增添的电子为克服原子核的引力作用，而使原子膨胀。例如，氟化物
和氯化物的离子分别大于氟和氯的原子，氧化物离子大于氧原子。除了阴离子普
遍膨胀外，王国这一三角地带的阴离子（直到王国东北海角附近）大小有变化，
而且这种变化明显地反映了母原子直径的变化。根据阴离子直径，对王国这一三
角地带勾画出的王国地势图，显示出由北向南上升和由西向东下降的趋势，而且
这个地带反映离子直径的地势都略高于反映中性原子直径的地势。




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