科学大统一 第八篇 宇丹質化學

第六章 關於分子的電子軌道和共價鍵的本質

筆者在《現代化學困難的原因》一文中已經批判了建立在電子雲理論基礎上的共價鍵理論。指出了這種理論的致命弱點在於:用它建構的分子要麽沒有共同的“電子雲”的屏蔽作用,不可能自成一體;要麽在“分子軌道理論”中對核外電子全部重組而違反洪特規則。總之是好走極端的,與實際的分子狀態是不相符合的。

宇丹質論認爲,分子和原子一樣是被共同的“電子雲”屏蔽著的。這種産生屏蔽分子的“電子雲”由組成分子的兩原子的價電子共同構成。下面,我們就以氫分子爲例來闡明分子的電子軌道問題。

YL(55)圖表示兩個軌道電子在二原子核的連心線兩端時的受力狀況。

此時軌道電子主要受與之靠近的H核的引力,遠離電子的H核對電子的引力很小。這時,二原子核之間的斥力佔優勢。

YL(56)圖表示兩個軌道電子在H核的連心線兩側且不居中時,電子受遠核的引力增大。這時二H核之間的距離縮短。

YL(57)圖表示兩個軌道電子在二H核之間連心線的中垂線上時,電子受二H核的引力相等。此時引力之合力最大,二H核間的距離最近,二軌道電子之間的斥力相對增大,二H核之間的斥力減到最小。

由YL(55)、(56)和(57)圖可知,軌道上每個電子都始終受到兩個H核的引力,只不過電子在軌道上不同位置,與二H核之間的距離不同,相連接的引力線數量不同,所受引力的大小不同而已。由於軌道電子與核之間的引力和二H核之間的斥力皆是變化著的,電子在二H核連心線延線兩端時,二H核間斥力最大,二H核遠移;電子在二H核連心線的中垂線上時,由於産生斥力的磁力線大量與電子的電力線相連接,故斥力最小,二H核近移。核外電子每轉一周,二H核間距伸縮一次,即電子軌道頻率與二H核間的振動頻率恒等。

下面,我們以CO爲例來分析多核外電子的原子結合成分子的電子軌道的狀態。

我們知道,碳元素的原子是+4價,核外電子結構是IS22S22P2。電子雲理論認爲 2P2的兩個電子的自旋方向相同,(↑↑)此種見解與同一軌道上的兩個電子自旋必須相反的泡利不相容原理是矛盾的。筆者以泡利不相容原理爲據,認定2P2的兩個電子自旋相反。

我們知道,氧元素的原子是+6價,核外電子結構是IS22S22P4。電子雲理論認爲2P4中有兩個電子的自旋方向相同。筆者依據泡利不相容原理認定這兩個電子自旋方向不可能相同,而是相反的。同時認定,核外電子少的原子(氦原子除外)不可能有兩個(或更多的)孤電子軌道存在。

更正了上述錯誤之後,我們就來討論CO分子的電子軌道狀態。由於碳原子半徑(0.77)大於氧原子半徑(0.66),這就說明氧原子核對價電子的引力要大於碳原子核對價電子的引力。因此,當原子的價電子組合成分子的電子軌道的時候,氧原子的價電子應在分子的電子軌道的內層,碳原子的價電子應在外層。

在建構分子軌道的過程,其原則是必須滿足分子中的原子的原子價達到飽和,即組成分子的每一個原子的核外電子必須如惰性氣體原子的核外電子那樣,最外層電子皆爲八個。(氫分子除外)這樣,就把原子的穩定性要求同分子的屏蔽性要求統一起來了。

如YL(58)圖所示,CO分子的電子軌道上的每一個電子皆受到碳核和氧核的引力作用,層間電子之間亦有相斥和相吸的作用——自旋方向相同則吸,相反則斥,故分子的電子軌道實際上是波形的橢圓線。YL(58)圖實際上是立體的橢球狀,所有軌道電子皆應是逆時針同向運轉。這是因爲只有同向運轉,這些電子在運行中後面拖著的尾巴——宇丹質連射線方向才能相同,同向相斥,因此這些分子的電子軌道才能在立體空間保持一定的距離而穩定。但這些軌道間距不是均等的。

由於氧核對其核外電子的引力大於碳核對其核外電子的引力,所以,所有的電於軌道皆不是純橢園的,而是帶點流線型狀的,近氧核部分軌道半徑小,近碳核部分軌道半徑大。這就是無論什麽化合物分子,或多或少都帶有極性的原因。

討論到此,或許有讀者會問:兩個原子靠近時,分子的電子軌道究竟是怎樣形成的,即一個原子的價電子怎麽會飛離自己的核而要繞另一個原子核運轉呢?道理如下:

首先,價電子本身就不夠穩定。它所受弱核力作用,由於內層電子對核中正電子發射的磁力線的屏蔽“損失”,磁力線到價電子處密度大爲減小,故價電子所受核力比內層電子爲小。這就是價電子不夠穩定的原因。

第二,既然兩個原子已經靠近,甲原子的價電子就要受到乙原子核發射的,並具有瞬斷瞬接性質的,不可能被乙原子自己的核外電子雲全封閉的磁力線與甲原子價電子發射的電力線相連接産生的引力的吸引。

第三,價電子在上述引力下,這個引力加上電子繞核以每秒108釐米速度的衝力之和,這個合力就會使電子沿原有軌道的切線方向飛出。而且,在甲原子的價電子向乙原子核逼近的過程中,越接近乙原子核,這個價電子的電力線與乙原子核的磁力線相連接的引力線密度,就越來越大於它與甲原子核間的引力線密度,即它受乙原子核的引力越來越大於它受甲原子核的引力。最後,甲原子的價電子就在乙原子核的引力作用下繞其運轉。

同理,乙原子的價電子也會沿原來軌道的切線方向飛出,在甲原子核引力作用下繞其運轉。

由以上三方面的理由,就可以斷定分子必定存在自己的電子軌道。

通過上面的論述,我們就應當認識到:

共價鍵的本質,原來是原子核發射的磁力線與電子發射的電力線相連接的引力線通過價電子將組成分子的原子核聯繫在一起的紐帶作用,是宇丹質連射線的表現形式。

继续浏览