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第七章 關於各種化學鍵的本質 要弄清化學鍵的本質，就非弄清宇丹質和宇丹質連射線的性質不可。因爲無論什麽鍵皆是宇丹質連射線的性質的表現形式。故所以筆者在寫《宇丹質化學》一篇時，在篇首特別重述了宇丹質和宇丹質連射線的性質。 半個多世紀以來，最令科學界費解的四種力——強核力、弱核力、電磁力和萬有引力，嚴格而廣義地講，也是鍵。因爲這四種力的作用在於將物與物聯繫起來。鍵者聯繫也，故可稱之爲鍵。這四種力強弱之區別，僅在於宇丹質連射線的密度之不同。 對於科學界費解的慣性力、慣性離心力、科裏奧利力，皆是宇丹質連射線的表現形式。 對於科學界費解的微觀粒子之間和宏觀天體之間的斥力，也是宇丹質連射線的表現形式。筆者還在《宇丹質天文學》一篇中論證了萬有斥力的存在，並指出宇宙是“引斥不二”的，沒有斥力就沒有引力的存在。 對於同種電荷在不同運動狀態下相互作用的情況，在《論泡利不相容原理》一章中已經作了分析。 總之，鍵與引力本是一種東西，皆是宇丹質連射線性質的表現形式。有了這種認識。一切化學鍵皆可迎刃而解了。共價鍵已作解釋，不再重述。下面專就離子鍵、極性共價鍵、氫鍵和金屬鍵用宇丹質連射線的性質來—一剖析。 （一）離子鍵
離子鍵是由於電子轉移而形成的。離子鍵所聯繫的原子不可能構成分子，故不存在共同的電子軌道。離子鍵所聯繫的原子構成晶體，原子間有一定的距離，即離子鍵有一定的長度和角度。晶體是由離子和離子鍵形成的晶格構成。但是，離子鍵究竟是怎樣産生的呢？這個問題離了宇丹質論就無法作出正確的解釋。 現代化學基礎理論認爲，離子鍵是通過電子轉移，使一個離子帶正電，另一個離子帶負電，故離子鍵是一種靜電作用。 此種理論是膚淺的，因爲離子的核外電子並不是靜止的，而是高速運轉著的，此其一也。其二，離子鍵並不是靠電子轉移形成的，電子轉移只是形成離子鍵的一種現象，是離子鍵的表現形式。因爲，電子轉移的成鍵理論並不能解釋多鍵問題。比如說立方晶體中每一個離子與它周圍的離子形成六個鍵，能不能說與周圍的離子之間轉移了六個電子呢？當然是不可能的。可見，現代化學基礎理論的電子轉移論和靜電作用論皆不能成立。 宇丹質論認爲，離子之所以能形成多鍵，那是因爲離子的原子核總是向四方八面發射磁力線——宇丹質陽極導前的宇丹質連射線，這種宇丹質連射線具有瞬斷瞬接的性質，所以，核外電子發射的電力線——宇丹質陰極導前的宇丹質連射線必然可以與磁力線瞬斷瞬接並通過電子的高速運轉不斷切斷磁力線來對原子核發射的磁力線産生屏蔽作用，但這種屏蔽作用只能是瞬时的局部的作用，它絕然不可能對磁力線起到全屏蔽作用。所以，這些“漏掉”的，隨距離增加而密度減小的磁力線，仍要與離子以外的電子發射的電力線瞬斷瞬接成引力線。這衆多引力線由於宇丹質極的方向相同，同向相斥，就産生了離子的原子核對離子以外的電子的引力。這産生引力的一組引力線，就是離子鍵。由於離子的原子核是向四方八面發射磁力線的，所以，離子與四方八面的離子的最外層電子發射的電力線，都可以與這個離子的原子核發射的磁力線瞬斷瞬接地構成引力線組——鍵。這就是一個離子可以與它周圍的離子形成多鍵的道理。 嚴格地說，一個離子的原子核發射的磁力線對周圍離子的所有核外電子，甚至很遠的電子都要産生引力作用，只不過電子越遠引力作用越小就是了。這個道理，筆者已經在《宇丹質物理學》一篇中論證過了，這正是萬有引力形成的原因。在這裏，筆者之所以認定一個離子只與它周圍的離子構成離子鍵，這是因爲它與周圍的離子距離最近，其間引力線密度最大之故。
由於Cl離子的最外層電子皆以高速運轉著，這些電子在最近距離和較近距離與Na原子核之間的引力線是瞬斷瞬接的，所以，二離子之間的離子鍵是瞬長瞬短地變化著的。這離子鍵猶如一組橡皮筋反復伸縮著，二離子的間距瞬遠瞬近。這就是離子晶體具有高頻振動的原因。 離子之間的斥力，是由離子的原子核發射的磁力線在離子之間因宇丹質極的方向相同，同向相斥而産生的，以及二離子的最外層電子的電力線方向相同相斥而産生的。離子之間的斥力和引力的共同作用，決定著振動的離子之間的平均距離。 一個離子可以與它周圍多個離子建構多個離子鍵，這些鍵之間有一定的角度，叫做鍵角，這些鍵角是由除中心離子之外，離中心離子較近的離子之間瞬斷瞬接的相互排斥的引力線産生的。鍵角的大小由這組引力線密度的大小決定。密度大則引力大，週邊離子間的間距就小，中心離子與週邊離子之間的鍵之間的夾角就小。反之亦然。 通過以上論述，讀者已經看到，宇丹質論是動態地研究離子鍵的，它與電子雲的靜觀理論絕然不同。 （二）極性共價鍵 極性共價鍵是不同原子組成的化合物分子中的原子之間形成的鍵。 現代化學基礎理論認爲，成鍵原子電負性之差是形成極性共價鍵的原因，電負性之差越大，鍵的極性就越大。此種理論仍是建立在電子雲靜觀論的基礎之上的。 宇丹質論認爲，成鍵原子電負性之差只是形成極性共價鍵的一個原因，另一個重要原因是二原子各自的最外層電子滿足八個（氫原子滿足兩個）形成穩定結構之後，原子半徑之間的差異。 我們知道，元素的原子半徑是隨周期增加而增大的。但是在每一周期中l－7價的原子半徑卻是隨價電子增加而減小的，而到了價電子爲2的氦和價電子爲8的其餘惰性氣體元素，原子半徑皆突然增大。氦原子半徑比氫原子半徑增大了近三倍，其餘惰性氣體元素的原子半徑皆比前面與之相鄰元素的原子半徑大1.5倍以上。這是爲什麽呢？這說明原本不夠穩定的價電子，當原子的最外層電子滿足惰性氣體元素的穩定要求之後，這8個（氦2個）最外層電子中每兩個電子共占一條電子軌道，這四條同向軌道因其上電子的尾巴——宇丹質連射線方向相同而産生了巨大斥力，以及每條軌道上兩個反向自旋電子之間産生的斥力，（唯氦原子兩條孤電子軌道沒有這種斥力）這兩種斥力之和，就是惰性氣體元素的原子半徑突然增大的原因。在惰性氣體元素原子的基礎上，再加一個電子形成相鄰第一族元素原子時，由於次外層八個電子的屏蔽能力仍大於增加一個正電子的原子核的磁力線的發射能力，即穿過次外層的磁力線仍舊不足以吸引最外層的一個孤電子軌道産生收縮，所以第一族元素的原子半徑仍要增大。 從第二族到第七族元素的原子半徑要逐級緩慢遞減的原因，主要是由於原子核中正電子數目的增加。因爲每增加兩個正電子才能增加兩個負電子來形成一條電子軌道，即正電子數的增加引起磁力線密度增加的速度大於電子軌道增加的速度，故原子核對核外電子引力增加的速度大於最外層電子軌道之間斥力增加的速度，所以2—7族元素的原子半徑就隨核中正電子數目的增加而收縮。雖然第7族元素原子的最外層有四條電子軌道，但有一條是孤電子軌道。這孤電子軌道由於不存在電子間反向自旋産生的斥力，故孤電子軌道半徑比雙電子軌道半徑爲小，它與相鄰雙電子軌道之間産生的軌道斥力就小。這就是雖有四條電子軌道的第7族原子半徑仍舊會在核引力下收縮的原因。
這裏，我們以HCI分子爲例來說明極性共價鍵形成的機理。如YL（60）圖所示。H的電子式爲IS1，Cl的電子式爲 IS22S22P63S23P5。圖中“－－－”表示共用電子軌道，“ecl”表示共用的CI原子的最外層電子，“eH”表示共用的H原子的電子。自旋方向相反的eH和ecl佔有構成HCl分子的共用電子軌道。這時，由於eH和ecl電子的高速運轉，對H核而言，擁有eH和ecl兩個核外電子而形成氦式電子軌道的穩定結構；對Cl核而言，擁有eH和ecl之後外層電子達到8個而形成氬式電子軌道的穩定結構。這時，Cl的原子半徑便由原來的0.99 當eH和ecl在圖示的X軸上時，整個HCl分子是中性分子；當eH電子在M和ecl在K（或ecl在K’和eH在M’），即電子在M—K’和M’一K軌道段範圍內時，由於電子處在中性軸Y右邊，且同在Cl核引力作用範圍X軸的兩邊，此時HCl分子中Cl核吸引並佔有eH和ecl兩個電子故帶負電，而H核卻未佔有電子故帶正電。這時HCl分子就顯示出極性。 由圖可知，由於eH和ecl電子運轉的對稱性，在流線型電子軌道上，它們不可能同時出現在中性軸Y左邊，即不可能同時被H核吸引在其附近，因此不存在H核一邊帶負電和Cl核一邊帶正電的情況。由於Cl原子的氬式電子軌道半徑比H原子的氦式電子軌道半徑大得太多，且共用電子是對稱運行的，所以，HCl分子絕大部份時間都處在極性狀態之中。這就是不同原子組成的分子要形成極性共價鍵的根本原因。 現代化學的基礎理論由於信奉電子雲理論，用這種靜觀論無論如何也解釋不了HCl分子中H原子和Cl原子何以會帶異種電荷的問題，而錯誤地判斷“應該認爲H原子和Cl原子都是沒有電荷的”。現代化學的此種錯誤概念，在這裏被宇丹質論用價電子建構共用電子軌道的理論糾正了。 宇丹質論的極性共價鍵理論，由於建立了價電子共用軌道，這樣不但使成鍵原子各自的電子結構達到了穩定結構，而且使分子有了自己的電子軌道，核發射的磁力線受到屏蔽而使分子得以自成一體。這樣，就把化學實驗證實了的分子自成一體的結論與宇丹質論的極性共價鍵理論統一起來了。 （三）氫鍵 氫鍵的本質問題，是現代化學基礎理論最感頭痛的問題，它是電子雲理論和靜電作用理論無論如何也解釋不了的，故化學教科書中承認“氫鍵的理論，目前仍在發展之中。” 但是，當人們掌握了宇丹質論的觀點，用宇丹質和宇丹質連射線的性質去動態地觀察分析氫鍵時，氫鍵的本質就不那麽神秘了。 氫鍵是化學分子中廣泛存在的鍵。尤其是在絡合化學、有機化學和生物化學中，氫鍵具有特別重要的地位。而且，這種鍵是凡存在氫原子的分子之間産生作用力的重要組成部份。故解決了氫鍵的理論問題將對化學的發展具有特別重要的意義。 授權合編的《無機化學》就氫鍵寫道： “人們在實驗中發現，當氫原子同電負性大的原子X形成化合物分子HX時，H原子上有多餘的作用力，它可以吸引另一分子YR中電負性大的原子Y，生成分子之間的鍵X－H…Y。在式中虛線…代表這種鍵，X和Y都代表電負性大和半徑小的原子如F、O、N等。這種分子間因氫原子而引起的鍵就叫做氫鍵。” 化學教科書《無機化學》對氫鍵解釋道：
“一般可以近似地認爲氫鍵的形成是由於靜電相互作用力，即在氫鍵X－H…Y中，X－H基本上是共價鍵，由於X電負性很大，吸引H原子的電子雲，使H原子幾乎成爲‘裸體’質子，造成了很大的偶極矩。由於這個半徑特別小（0.3 以上就是到目前爲止的關於氫鍵的理論。 這個理論既然承認電子雲——電子繞核運動軌迹的總和，但又認爲H原子會成爲“裸體”的質子，即H原子的電子會被電負性大的原子吸引過去，那麽，這個被吸引過去的電子或者繞電負性大的原子旋轉了，或者，這個被吸引過去的電子處在二原子核之間靜止了。前一種情況顯然會形成離子，後一種情況要形成靜止的電子和“裸體”的質子，那麽，氫鍵屬於前者還是屬於後者呢？《無機化學》的作者們並未闡明。這種理論是自相矛盾而不能自圓其說的。
在YL（61）圖中，“Cl－H”表示HCl分子；“←”表示HCI分子的電子軌道上電子的旋轉方向；“α”表示氫鍵的鍵角α。 圖上標明所有的分子的共用軌道上的電子皆同向逆時針旋轉。這是因爲，所有分子的共用軌道電子皆同向旋轉，這些電子的尾巴——宇丹質連射線才能在分子之間反向運行。根據宇丹質連射線相反相吸的性質，這樣才能在兩個HCI分子之間産生引力（此種引力，實際上是電磁力）。這個軌道電子尾巴之間的引力，加上每個HCI分子中的H核因共用電子旋離而“裸露”的瞬間與相鄰Cl原子的軌道電子之間瞬斷瞬接的引力線組産生的引力，這兩種引力之和，就構成了氫鍵。 氫鍵的鍵長是由H原子核發射的磁力線與相鄰Cl原子核發射的磁力線之間産生的斥力，和氫鍵産生的引力共同決定的。引力大於斥力鍵縮短，引力小於斥力鍵伸長，引力與斥力平衡鍵就定長。但由於構成氫鍵的分子以外的作用，鍵長總是處在變化之中。外來分子對氫鍵成鍵分子的作用，無論外來分子的軌道電子的運轉方向與成鍵分子的軌道電子的運轉方向相同或相反（相同時電子尾巴相吸，相反時電子尾巴相斥），對鍵力弱的氫鍵都是一種幹擾。這就是氣態分子和液態分子會産生布朗運動的原因，固態分子會不停地振動的原因。 至於氫鍵的鍵角α，則是由於這個折線式的分子鏈中任一三角形的兩底角頂處的HCI分子之間因共用軌道電子同向運轉電子尾巴間産生的引力，和這三角形頂角兩邊上H原子核之間，Cl原子核之間磁力線與磁力線産生的斥力，共同作用下形成的。當這種引力大於斥力時鍵角α就閉小，引力小於斥力時鍵角α就張大，引力等於斥力時鍵角α就保持定值。然而，這種折線式分子鏈在氣態或液態下，總是要受外來作用的影響，所以這折線式分子鏈上所有的鍵角都是處在變動之中的。唯固態下氫鍵的鍵角變動較小。 由上述對氫鍵形成機理的分析可知，氫鍵形成的折線式分子鏈決不是簡單的一條。由於每一個H核或Cl核發射的磁力線是向四面八方散射的，只要折線式分子鏈以外的分子的共用軌道電子的運轉方向，與鏈上某個分子的共用軌道電子的運轉方向相同，就可以建構起氫鍵來。這一原理告訴我們，氫鍵可以使成鍵分子在立體空間建構起折線式分子鏈的立體網路來。像絡合物在空間建構的立體分子，就是通過這種氫鍵的成鍵原理來建構的。但是必須指出，這種折線式分子鏈的立體網路，在局部空間範圍以外卻是瞬斷瞬接的，永遠不固定的立體網路。 宇丹質論對於鍵力很弱的氫鍵，也是用“動靜不二”的觀點去分析的，它與靜觀的電子雲理論和靜電力理論絕然不同。 （四）金屬鍵 現代化學的金屬鍵理論有兩種：一曰改性共價鍵理論，二曰能帶理論。這兩種理論的共同點，就是認定金屬內部存在的價電子是自由電子，即認定這些自由電子在金屬內部無規則地分佈著。所謂“改性共價鍵”理論，就是認爲，由於金屬原子失去價電子而改變了原子本來的性狀，因而認爲這些自由電子屬於整個金屬的全體原子所共有，進而認爲“這些共用電子起到了把許多原子（或離子）粘合在一起的作用，形成了所謂的金屬鍵。”而所謂的“能帶”理論，則是在“改性共價鍵”理論的基礎上，認爲這些自由電子可以組成很多的“分子軌道”，這些“分子軌道”之間的能量差很小，能量變化基本上是連續的，這些“分子軌道”的重疊就形成了所謂的“能帶”等等。 這兩種理論的致命弱點是認定金屬中自由電子存在於金屬內部，而不是存在於金屬表面附近。（這當然是受了現代物理學對金屬中自由電子存在於金屬內部的錯誤判斷的影響）而且脫離實際地認爲可以在金屬的晶格中建立“分子軌道”。 關於金屬中自由電子在什麽部位的問題，法拉弟圓筒實驗早已證明，當一個空心的金屬圓筒帶電時，它的內部不帶電，（而實際上帶有原子核的正電）而外表帶負電。這一實驗證明自由電子在金屬內具有非常大的庫侖斥力，這種斥力遠遠大於金屬原子核對自由電子的引力。 當然，現代物理學認爲法拉弟圓筒實驗是對“帶電”的金屬而言的，即對金屬導體電位不爲零的情況而言的。所以就認爲在金屬導體電位爲零的情況下，其中的自由電子是在導體內部自由分佈的。這種觀點的有力依據是，用驗電器檢測電位爲零的金屬表面時，驗電器的金箔不會張開。於是就認定電位爲零的金屬表面不帶電，即不會有密集的電子存在。 筆者認爲，現代物理學的上述判斷是錯誤的。因爲，上述判斷首先忘卻了自由電子的“自由”性質。所謂“自由”，就是說金屬原子的價電子受原子核的引力很小，原子核對價電子的引力遠小於價電子之間的庫侖斥力。這是肯定的。因爲在法拉弟圓筒實驗中，當用帶電的小球接觸法拉弟圓筒內壁時，帶電小球上的電子傳遞到內壁上之後，就會因電子之間巨大的斥力相互排斥，瞬間穿過金屬殼層而到達圓筒的外表面。這就證明金屬殼層中的“離子實”對自由電子沒有束縛力，即自由電子之間的庫侖斥力大於“離子實”對它們的引力。 那麽，當驗電器接觸電位爲零的金屬導體時，金箔爲什麽不會張開呢？因爲，電位爲零的金屬導體上的自由電子雖然集中其外表面，它們仍是屬於整個金屬導體中的“離子實”的，這些“離子實”與金屬表面上的電子之間仍存在引力，金屬的正負電荷之和仍爲零，故電位爲零。因此，當驗電器與之接觸時，這些金屬表面上的電子不可能脫離金屬表面而跑到電位同樣爲零的驗電器的金箔上去。這就是驗電器接觸電位爲零的金屬導體其金箔不會張開的原因。所以，不能用驗電器中金箔不張開來證明金屬導體表面不存在自由電子。 也許有人會認爲，帶電小球傳遞給法拉弟圓筒內壁的自由電子會給金屬殼層中的自由電子以庫侖斥力將其排斥到金屬表面，而自己卻留在了金屬殼層之中。即它們起了推移作用。這是完全不可能的。因爲，法拉弟圓筒內壁的直徑，比起它與金屬殼層的厚度來，可以大到數十倍數百倍，甚至數千倍，內壁電子之間的距離這麽遠，它們之間的庫侖斥力仍舊可以把它們自己排斥到金屬圓筒外表面上去，可見，自由電子之間的庫侖斥力是巨大而“超距”的。金屬內部如果存在自由電子，那當然也要受庫侖斥力的“超距”作用，使它們在相互排斥下皆集中到金屬導體的外表面上去。否則，金屬中的自由電子就談不上“自由”。
此外，我們還可以用電子之間庫侖斥力的圖示來證明，這些自由電子只有集中到金屬外表面，它們相互之間所受的庫侖斥力才會最小。YL（62）圖表示金屬導線橫截面上電子的受力情況。假定這橫截面上有三個自 那麽，這些金屬原子在失去價電子之後是怎樣形成金屬鍵的呢？ 我們知道，金屬鍵與離子鍵完全不同。離子鍵是通過原子間價電子轉移形成的定向而單一的鍵。金屬鍵則是同種原子皆失去價電子變成“離子實”而大大縮小了自己的半徑，原子核向四方八面輻射出磁力線而形成的多鍵。這種多鍵形成的晶格，皆有一個中心“離子實”與周圍的“離子實”形成密集緊堆的立方晶體。 在研究金屬鍵時，要特別注意金屬原子失去價電子變成“離子實”使自己半徑大大縮小的現象，因爲這是金屬鍵形成的主要原因。 按照宇丹質論的觀點，原子核中正電子發射的磁力線的密度，是隨離原子核的距離平方的增大而反比例減小的。這是早已被物理學通過庫侖引力或萬有引力皆隨距離平方反比例變化證明瞭的。只不過物理學還不知道這是引力線密度變化的規律而已。原子核之所以對核外電子有引力，那就是因爲原子核中正電子發射的是宇丹質陽極導前的磁力線，而核外電子發射的是宇丹質陰極導前的電力線，磁力線與電力線會通過陰陽相吸，使這兩組磁力線組和電力線組連接成正負電子之間的引力線組。這引力線組中的引力線方向皆相同，故要相互排斥而使引力線鼓曲，這鼓曲的猶如鈁錘狀的引力線組就是正負電子間産生引力的“鍵”。由於引力線組的引力線密度隨距離平方反比例變化，所以，原子核與不同距離的電子之間“鍵”的引力線密度不同，近者密度大引力亦大，遠者密度小引力亦小。 對金屬原子來說，它在失掉價電子之前，原子核與價電子之間是有引力線聯繫著的，但在失去價電子之後，並沒有改變原子核中正電子發射的磁力線的密度。然而此時，由於原子變成了“離子實”而大大地縮小了自己的半徑，故當這些“離子實”靠攏時核間距就大大地縮短了，它們各自的原子核中正電子發射的磁力線與其相鄰“離子實”最外層電子發射的電力線連接成的引力線的密度也大大地增加了。這些與相鄰“離子實”最外層電子之間建構的密度很大而瞬斷瞬接的引力線組，就是所謂的金屬鍵。 讀者可以看出，宇丹質論對金屬鍵成鍵原理的解釋與現代化學基礎理論的“改性共價鍵”和“能帶”理論迥然不同，宇丹質論的金屬鍵成鍵理論是紮紮實實地建立在引力作用原理基礎之上的。這種理論才能真實地反應出金屬鍵的本質。
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熊宇丹 （xyd3411@163.com） 上传2007.04
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這裏，我們以NaCl爲例來說明離子鍵的成鍵原理。如YL（59）圖所示。我們知道Na的電子式爲IS22S22P63S1，Cl的電子式爲IS22S22P63S23P5。Na的原子半徑爲1.54
，遠大於Cl的原子半徑0.99
上述論證解釋了原子的最外層電子（除氫和氦外）凡增加到8個形成四條軌道，原子半徑就會突然增大的道理。有了這樣的理論依據，加上宇丹質論關於共價鍵由價電子組成分子中原子的共用電子軌道而構成的理論，極性共價鍵的實質就不難理解了。
筆者在前面關於《極性共價鍵》一文中已經用HCI分子爲例闡明，只有用價電子共用軌道的理論才能說明共價鍵分子的共價鍵形成的機理。其實，HCl分子之間也存在氫鍵，那麽，我們就在共價鍵HCl分子的基礎上來看看這種氫鍵究竟是怎樣形成的。
由電子。YL（62）圖（l）表示這三個自由電子在金屬內部，它們離截面中心r/2，它們間的距離爲
/2，每兩個電子之間的庫侖斥力爲f。則每個電子受另兩個電子的庫侖斥力之合力爲
f。圖（2）表示這三個自由電子皆在金屬外表面上，離截面中心r，它們間的距離爲