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第37章 物质结构元素周期律(9)

二是可以矫正以前测得的原子量,门捷列夫在编元素周期表时,重新修订了一大批元素的原子量(至少有17个)。因为根据元素周期律,以前测定的原子量许多显然不准确。以铟为例,原以为它和锌一样是二价时,所以测定其原子量为75,根据周期表发现铟和铝都是三价的,断定其原子量应为113。它正好在钙和锡之间的空位上,性质也合适。后来的科学实验,证实门氏的猜想完全正确。最令人惊异的是,1875年法国化学家布瓦博德朗宣布发现了新元素镓,它的比重为4.7,原子量是59点几。门捷列夫根据周期表,断定镓的性质与铝相似,比重应为5.9,原子量应为68,而且估计镓是由钠还原而得。一个根本没有见过镓的人,竟然对它的第一个发现者测定的数据加以纠正,布氏感到非常惊讶,实验的结果,果然和门氏判断极为接近,比重为5.94,原子量为69.9,按门氏提供的方法,布氏重新提纯了镓,原来不准确的数据是由于镓中含有钠,大大减少了它本身的原子量和比重。

三是有了周期表,人类在认识物质世界的思维方面有了新飞跃。例如,通过周期表,有力地证实了量变引起质变的定律,原子量变化,引起了元素的质变。再如,从周期表可以看出,对立元素(金属和非金属)之间在对立的同时,明显存在统一和过渡的关系。现在哲学上有一个定律,说事物总是从简单到复杂螺旋式上升。元素周期表正是如此,它把已发现的元素分成8个家族,每族划分5个周期,每个周期、每一类中的元素,都按原子量由小到大排列,周而复始。

元素周期律一举连中三元,使人类认识到化学元素性质发生变化是由量变到质变的过程,把原来认为各种元素之间彼此孤立、互不相关的观点彻底打破了,使化学研究从只限于对无数个别的零星事实作无规律的罗列中摆脱出来,从而奠定了现代化学的基础。

共价键理论简介

对共价键的本质问题的探讨一直是化学键理论中的重大研究课题。为了阐明共价键的形成,20世纪30年代以后就建立了两种化学键理论:一种是现代价键理论,另一种是分子轨道理论。现行中学教材中介绍的基本上是现代价键理论。

由于20世纪初建立的经典价键理论遇到许多不能解决的矛盾,对共价键的本质也解释不清,为了解决这些矛盾,1927年德国化学家海特勒和伦敦首先将量子力学理论应用到分子结构中。后来鲍林等又发展了这一理论,建立了现代价键理论(ValenceBondTheory),简称VB法,又称电子配对法。该理论认为:原子在未化合前有未成对电子,这些未成对的电子,如果自旋方向相反的话,则可两两结合成电子对,这时原子轨道发生重叠,电子在两核间出现机会较多,电子云密度较大,体系的能量降低,就能生成一个共价键;一个电子与另一个电子配对后就不能再与第三个电子配对;如果原子轨道重叠愈多,所形成的共价键就愈稳定,等等。

现代价键理论不但可解释共价键的饱和性和方向性问题,而且在得到杂化轨道理论充实后,还能解释许多分子的几何构型问题。值得注意的是现代价键理论不受经典价键概念的所谓“八隅律”的束缚,如Cl-Be-Cl,HOBO—HO—H中的Be和B原子的最外层并不是8个电子,而分别是4个和6个电子。

但现代价键理论在解释有些分子的形成时,也遇到了困难。例如,它只能从原子轨道的重叠定性地说明共价键的稳定性,而不能给予近乎定量的解释;它也无法解释氧分子和硼分子等为什么具有顺磁性等问题。另外,在解释较复杂的分子以及有大π键的有机分子结构时也与实际偏差较大,因为该理论缺乏对分子作为一个整体的全面考虑。如果认为分子中的电子已不再从属于任何一个组成原子的原子轨道,而是在属于整个分子的若干分子轨道中运动,这似乎还比较合理,于是分子轨道理论(MolecularOrbitalTheory),简称MO法,便应运而产生。

MO理论认为:能量相近的原子轨道可以组合成分子轨道。由原子轨道组合成分子轨道的数目不变,而轨道能量改变。能量低于原子轨道的分子轨道为成键轨道,反之为反键轨道,能量等于原子轨道的分子轨道为非键轨道。分子中的电子在一定的“分子轨道”上运动。在不违背每一个分子轨道只容纳两个自旋方向相反的电子的原则下,分子中的电子将优先占据能量最低的分子轨道,并尽可能分占不同的轨道,且自旋方向相同。在成键时,原子轨道重叠越多,所生成的键愈稳定。分子轨道中电子的排布也遵从原子轨道电子排布的原则,即泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则和轨道最大重叠原理等对它都适用。

利用分子轨道理论不仅可解释现代价键理论所不能解释的问题(如O2和B2分子的顺磁性等问题),并且提出了三电子键及单电子键等概念。分子轨道理论从分子整体出发,对于处理多原子π键体系,解释离域效应和诱导效应等方面的问题,都能更好地反映客观实际。1965年在大量实验的基础上,美国伍德沃德和德国霍夫曼又提出了分子轨道对称守恒原理。它对解释和预示一系列化学反应进行的难易程度,以及了解产物的立体构型等问题都有指导作用,它使化学键理论进入到了研究化学反应的新阶段。

生产粒子的简单方法

粒子的生产,有两类方法。一类是利用较小的能量,把粒子从大块物质中解放出来。例如,加热金属,把电子从中驱赶出来;又如加热水,使水变为蒸汽,让水分子沿管道喷出;再如让两根碳棒之间放电,碳分子(原子)即在碳弧的高温下蒸发出来,还可进而把碳原子的外层电子剥去(如用另外的电子把它打掉),形成碳离子,它可在电场中被加速,使其获得一定能量,向一定方向喷出。

第二类方法,是直接制造粒子本身,这就要用较大的能量。由爱因斯坦著名的质能关系式E=mc2看出,要造出质量为m的粒子,至少需要总能为E的能量。我们把一些粒子的质量,按能量的标度画出来,就会看到生产它们的难易程度。很明显,光子、电子和中微子Ve的质量最小。怪不得燃烧即可放出光子来。中微子难于探测,先不管它。就是小小的电子e,直接制造它都是不容易的。好在用电子伏量级的能量,就可以把它们从金属中释放出来,所以大规模地生产并不困难。

元素周期表的终点在哪

1869年2月,俄国化学家门捷列夫将当时已发现的63种元素列成元素周期表,并留下一些空格,预示着这些元素的性质。在元素周期表的指导下,人们“按图索骥”找出了这些元素。

元素种类到底是否有限?周期表有否终点?这是科学家们,也是诸位读者所关心的问题。

20世纪30—40年代,人们发现了92号元素,就有人提出92号是否是周期表的最后一种元素。然后从1937年起,人们用人工合成法在近50年时间又合成近20种元素,元素周期尾巴越长了。这时又有人预言,105号元素该是周期表的尽头了,其理由是核电荷越来越大,核内质子数也越来越大,质子间的排斥力将远远超过核子间作用力,导致它发生蜕变,然而不久,又陆续合成了106~109号元素。这些元素存在的时间很短,如107号元素半衰期只有2微秒,照此计算是否周期表到尽头了?

1969年起,理论物理学家从理论上探索“超重元素”存在的可能性,他们认为具有2,8,14,28,50,82,114,126,184等这些“幻数”的质子和中子,其原子核比较稳定,这就是说,随着原子序数的递增,其原子核不一定不稳定。因此在109号元素之后还能合成一大批元素,这样一来,第七周期32种元素将会被填满,第八周期也将填满(按理论计算,第八周期元素共50种,其中7种主族元素,1种惰性元素,10种过渡元素或副族元素,还有32种超锕系元素,列在周期表下方的锕系下方)。

然而理论的惟一检验标准是实践,能否不断合成新元素至今还是一个谜案,科学家将上天(如到月球)入地(如海底)或反复在粒子加速器中进行实验,企图合成新元素,其结果将会如何,人们正拭目以待。

有趣的是,有些科学家还提出元素周期表还可以向负方向发展,这是由于科学上发现了正电子、负质子(反质子),在其他星球上是否存在由这些反质子和正电子以及中子组成的反原子呢?这种观点若有朝一日被实践证实,周期表当然可以出现核电荷数为负数的反元素,向负向发展也就顺理成章了。

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