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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 11.联系与联合
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月04日11:19:23 星期天), 站内信件



　　　　　　 11.联系与联合

　　　　在我们的现实世界里，即使不是所有的一切，但多数财富都源于王国成
员之间形成的各种化合物。就像字母表上的字母能够组合成无穷无尽的文学作品
那样，100多种元素可以组成数以百万计的这种联合体。我们要想在潜在的和现
实的联合体范围内邀游根本是不可能的，不过联合体的某些特征显示出的周期性
却与王国的周期变动一致。化学家们经常参考已研究过的一些地区位置，设法对
这些联合体进行分类，我们也准备这样做。在这里我们要研究可能形成的联合体
类型，把各联合体成员的特性及其所形成的．化合物与它们在王国中的位置联系
起来。

　　化合物产生于王国某些地区原子间紧密的内部结合，而不仅仅是掺混在一起
形成的混合物。在某些情况下，原子紧密的内部结合非常稳定，甚至能永世长存。
地心和地表的结合就是这样。其他一些结合就不太稳定，可能在短时间内就会瓦
解。自然界形成的许多含碳有机化合物，结合得就不太稳定，只能维持1天、1 
年，或60年，然后分解成不太复杂的原子集合体。原子的某些联合非常短暂，需
要训练有素的眼睛才能加以辨认并把它们记录下来。

　　化合物借助于化学键或原子键而形成。众所周知，这种键起因于原子的最外
层电子，即所谓价电子层电子的分布情况。原子价是表示原子形成化学键的专门
术语，它来源于拉丁文“Vatete”一词，意为“力量”。罗马人在告别时常说
“Vatete”，意思是“祝您健康”。我们知道，原子的电子结构体现着由元素布
局所确定的周期性。因此可以预料，元素形成化学键的能力也具有周期性。在这
里，我们只讨论化学键的数目和类型等一般的周期性规律。

　　化学键主要分为两种，即离子键和共价键。顾名思义离子键，是原子所形成
的离子间的相互作用，这种作用产生于阳离子和阴离子间相反电荷的吸引力。共
价键则是原子通过共用电子而产生的一种较为松散的缔合。首先，我们要较为详
细地研究一下这两种化学键，然后再看看这两种键的形成怎样反映出元素在王国
中的位置分布。倘若在原子间有化学键形成，便会释放出能量，所以在所有的情
况下，我们都凭借王国中的一个路标式的表示符号，指向王国中低能量的方向。
每当我们要对化学键和联合体的形成找出解释时，都需要确定为什么能量表示符
号的箭头朝下，即为什么生成物的能量低于构成生成物的单个原子的总能量。

　　为了弄清楚导致离子键形成的效应，我们必须研究一下气态的钠原子（电子
结构为[Ne] 3s1）与王国另一端的氯原子（电子结构为[Ne] 3s23p5）混合在一
起的情况。开始，两种原子仅仅处于相互混合的阶段，原子间的联合体尚未形成。
我们需要考虑一下，在这样的混合体内是否也有能量表示符号箭头朝下的情况，
不过，肯定能量表示符号的箭头是竖直朝上的。从每个钠原子转移出1个电子需
要5．1电子伏的能量，但可以证明，在这方面做些投入完全值得，所以我们这样
做了。我们还知道，当1个电子进入1个氯原子形成1个氯离子时，可以释放3．6
电子伏的能量。在这个反应步骤中，我们把电子从一种原子转移到另一种原子，
得到了两种像惰性气体结构的离子，即钠的阳离子和氯的阴离子。不过，这时的
能量差值为5．1电子伏- 3．6电子伏= 1．5电子伏时，能量表示符号箭头仍然朝
上，似乎没有什么理由可以产生离子。

　　然而，还有第三个非常重要的因素在起作用，那就是带有相反电荷的离子间
的电吸引力。当离子互相接近时，电吸引力变得很强，以致电吸引力所减少的能
量胜过了我们不得不投入的能量。正负电荷相互作用产生的能量一旦超过上述差
值1．5电子伏时，能量表示符号就像交通信号灯周期性变换那样，变为箭头朝下。
所以，当阴离子和阳离子聚集成团时，每个阴离子周围环绕着若干个阳离子；同
样，每个阳离子周围环绕着若干个阴离子，能量就达到了最低值。这时产生的结
构称为离子型固体。更为详细的测量结果表明，在离子型固体中，每个阴离子周
围有6个阳离子，每个阳离子周围有6个阴离子（见图14）。实际上，这就是普通
食盐的结构，而食盐就是取自盐矿和海水的氯化钠。


　　图14 食盐（氯化钠）的结构 左侧是分解图，右侧是实际结构图。这样的模
式可以无限延续下去，在晶体边缘结束。请注意，每一颗钠的阳离子（图中的小
球）与6颗氯化钠的阴离子（图中的大球）接触，反过来也一样

　　我们将运用上述观点分析由元素组成的各种化合物，并进一步说明王国显示
出的自然界周期性变化规律。这种化学上的周期性变化规律，实际上是门捷列夫
绘制元素分布图的一个强有力的证据。首先，请注意钠只易于释放1个电子，同
样，氯只能接受1 个电子，这正是钠和氯在食盐中的比例。当然，我们可以利用
已掌握的表示王国电子布局的地势图预计，在由第一族碱金属与第十七族卤素所
形成的各种化合物中，两种原子的比例总是相等的。现已观察到，所有碱金属的
卤化物（包括氟化锂、溴化钠、碘化钾和这两个元素地区可能形成的30种二元化
合物）都是这样一比一的组合。于是，王国的规律，即潜在的电子结构，也控制
着王国的各种联合体。

　　如果我们向东移动一族，就跳到西部沙漠钙和碱土金属的领地。这些元素在
暴露出它们难以破坏的核心之前，都易于释放出2个电子。但每个卤素原子仍然
只能接受1个电子。这表明，在碱土金属和卤素形成化合物时，对每个碱土金属
的原子来说，就有2个卤素原子与之结合。已知的元素组成正是这样。

　　现在我们可以反过来论证。假设我们返回第一族碱金属的领地，但现在考虑
它们与第十六族元素氧和氧以南同族元素形成类似化合物的情况。碱金属的每一
个原子能释放出1个电子，第十六族元素的每一个原子能接受2个电子，因而我们
可以预计，在化合物中，对每一个氧原子或硫原子来说，有2个碱金属原子与之
结合。得出的结果也正是这样。

　　为了圆满结束以上讨论，我们向东转到第二族元素，同时向西转到第十六族
元素。每个碱土金属的原子能释放出2个电子，每个和氧同族的原子能接受2个电
子。于是，在我们重新得出的化合物模式中，对每个第二族的原子来说，有1个
第十六族的原子。这一模式正好与观测结果相符，说明了像石灰石（氧化钙，1
个钙离子对1个氧离子）那样的化合物的组成情况。

　　化学家们想要解释或预测离子型固体的结构时，总是使用这样的论据。只有
形成阳离子所需要的能量不太大时，能量表示符号的箭头才会朝下；形成阳离子
所需要的能量如果太大，这个能量就不可能从相反电荷的吸引力中获得，能量表
示符号的箭头也就不会朝下。这就限定了，元素形成离子键时，其中必有一种金
属元素，因为只有金属元素的电离能很低。我们从上空鸟瞰王国时，只见下面的
西部沙漠在闪闪发光，现在我们知道，那里正是可能形成离子型固体的元素所在
地，而且它们所形成的离子型固体的组成情况，取决于元素族在王国中的所在位
置。


    图15 化学元素周期表
 

　　离子型固体有一系列的共同特点，根据这些特点，可以很容易地把它们从现
实世界中辨认出来。首先，由于它们是紧密堆积在一起的坚固的离子聚合体，因
而是刚性和脆性的固体。如果要使离子型团体变成液态，则需要强烈加热，以使
离子彼此松散开来。所以，离子型固体的熔点通常都很高。其次，更为重要的一
个特点是，当离子型固体溶解于水（决非都如此）时，离子漂散开来，变为可以
流动的导电体。因此，离子型固体是潜在的电解质，或者说离子型固体在熔融态
或溶解于水时，都是能够传导电流的物质。

　　现在我们研究一下共价键的形成。在化合物的形成不涉及金属元素时，为了
使电子从原子中释放出来需要花费很大的能量，以致根本不可能形成离子键。即
使考虑到最终可能形成的离子间相反电荷的吸引力，总能量表示符号的箭头仍然
朝上。可能发生的最好情况是，原子能有效地保留住自己的电子，不过要开始与
其他原子共用电子了。当2个相邻的原子共用一对电子时，我们说这两个原子被
一个共价键结合在一起。

　　首先，我们需要了解为什么2个电子构成一个共价键，而不是由1个电子或其
他数目的电子构成共价键。原因可以追溯到泡利的不相容原理，这一原理限定占
据同一轨道的原子数不能超过2个。当形成共价键的2个原子靠在一起时，它们的
最外电子壳层（我们称之为价电子层）不再只限于各自的原子，而是像网一样覆
盖在两个原子上面。我们知道，原子的电子分布称为“原子轨道”，依此类推，
在分子中覆盖着两个原子的电子分布我们可称之为“分子轨道”。虽然分子轨道
的覆盖面比较大，形状也比较复杂，但轨道终究是轨道，不相容原理依旧适用。
因此，一条分子轨道只能容纳2个电子，一个共价键只能由一对电子构成。这对
电子由两个原子共有，也就是覆盖着两个原子。

　　附带说一下，两个原子也可以共用两个以上的电子，因为能够覆盖这两个原
子并把它们网罗在一起的轨道不只是一条。每一对共有的电子算作一条共价键，
因此原子可以借助于单价键（一对共价电子）、双价键（两对共价电子）、三价
键（三对共价电子）和极为少见的四价键（四对共价电子）结合起来。一般说来，
原子的价键数越高，其结合越稳固。与离子键的形成一样，共价键只在它们能使
能量降低的情况下才会形成。不过在共价键形成时，我们不必担心会像离子形成
时需要投入那么巨大的能量，因为共用电子所涉及的能量要远远小于电子重新分
配所需要的能量。因此，我们可以预料，如果发生反应的元素不涉及西部沙漠地
区，就会形成共价键。实际上，东部矩形地块上部三角地带的元素形成的化合物，
是典型的共价化合物。

　　原子形成共价键所产生的整体称为分子。由共价键形成而产生的化合物明显
地不同于由离子键形成而产生的化合物。分子型化合物一般是（我们将看到不一
定是）原子的不连续组合，它不是原子无限连续的聚合体。此外，由于电子共用
比电子丢失更难以捉摸，某个电子部分地脱开其他电子而在空间的某一方向上形
成共价键的能力，会影响到这个电子在不同方向上脱开其他电子形成共价键的能
力。因此，共价化合物分子中的原子排列具有特定的几何形状，也就是说，王国
中的共价化合物是不连续的，经常为具有明显特定形状的小原子团。

　　事实上，离子聚集体不仅是无穷无尽的，而且在常温下总是固体；分子聚集
体则往往很小，在常温下能够形成气体或液体。即使分子聚集体能形成固体，其
分子间的作用力一般也比离子型固体中分子间的作用力要弱得多。因此，多数分
子型固体比离子型固体更软。此外，只要稍稍加热（产生一种振动作用），就能
使分子型固体振裂为它的组成分子，所以分子型固体的熔点和沸点一般都较低。

　　概括地说，分子型化合物是自然界的软表面，而离子型化合物是自然界的硬
表面。这种区分以地球表面的软化最为明显，河流、空气、草原和森林都是分子
型化合物，地表下坚硬的地层基本是离子型化合物。这就是为什么东部矩形地块
上部三角地带对生物的存在如此重要，而为什么王国其余地区对形成坚固稳定的
地台是如此重要了。

　　共价键形成软性结合的情况并非一成不变。在某些情况下，原子与相邻的原
子形成共价键，而相邻的原子又与下一个相邻原子结合，依此无限地类推下去，
直至本质上形成了无限连续的固体。一个特殊的例子就是金刚石，它是碳的一种
存在形式。这种形式的碳元素，硬度极大，这几乎弥补了碳在别处表现的软性。
金刚石的硬度起因于在整个金刚石固体中都展布着刚性的框架式的键，通过这种
键把原子和原子无穷尽地结合起来，就像巨型建筑的钢架结构一样。

　　在我们离开王国这种形式的联合体之前，需要涉及几个问题。其一是关于碳
参与分子形成时造成拱形的本领。碳的这种本领能形成错综复杂的结构和合作关
系，使其所形成的联合体变得有活力，并可能影响到联合体自身。碳这个单独的
领地之所以有这种潜在本领是因为它内在的中立性，也就是碳缺乏自我要求。碳
位于王国北海岸的中部。碳既不像左边的元素那样，是电子的释放体；也不像右
边原子那样，是亲合力强的电子接受体。碳对形成联合体的需求量不高。此外，
碳甚至还能自给自足，即碳和碳之间能发生广泛的自身联系，形成链状、环状和
树枝状的原子结构。碳是否易于放弃电子，这要看另外一个原子的需要，还要取
决于碳在准确的排列下是否有足够的电子与其他的原子结合。如果碳还有电子亲
合势，它就会迅速满足碳之间的键合倾向，而没有机会与其他元素巧妙地结合在
一起。因为碳处于中立状态，既不需求什么，也不特别富有，所以碳能延长联合
体的稳定期，而不是充当一个短暂协调者的角色。

　　最后一个问题涉及到王国寂静的东部边缘地带，即活性海岸上的惰性气体。
这些气体对键的形成，甚至对共价键的形成，基本上没有反应，究其原因可以追
溯到惰性气体的电子结构。惰性气体原子中的电子，围绕着高荷电的原子核形成
紧密的云团，甚至释放出一部分电子也很困难，因为这样做需要投入极大的能量。
这种被电子壳层封闭的原子核，同样不能吸引电子，因为任何一个新添加的电子
都有可能占据新壳层上的一条轨道，因而距离中心的原子核更远了，这与实际需
要恰恰相反。此时，能量表示符号箭头很少朝下，难以形成化合物，这当然要排
除像氟那种在“政治上”带有浸蚀性的某些元素。王国在东部边缘地带向海岸陡
然下降，是一种饱和的迹象。我们干嘛要为它们能否获得更多的电子，或者能否
释放一些电子而操心呢？




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