化学的方向和方法

志勰

本文主要说明采用结构力学的方法来研究化学是未来化学的方向,在这一方向上,化学将会成为物理的一部分。文中提出了一种在球壳式原子核模型基础上的分子稳定结合的模式(可应用于氢原子核)。因此,本文需要您知道球壳式原子核模型的内容。这部分内容可参见物质的存在栏目中的球壳式原子核结构模型 ————和原子核外电子的力学分布方法 。


一、引言(力学的途径)

   对于解释物质的运动变化来说,采用物质的存在状态的改变和力的关系是非常合理的方法。但是,对于微观大量的物质粒子来说,似乎是行不通的。需要采用其它的方法来研究化学的化合与分解、来研究化学物质的属性似乎是一种必然,从上个世纪分子的运动论建立以来,对于这样的一个屏障,在化学上还没有跨出任何的一步。反而采用非力学的关系,建立微观物质粒子化学反应的规律到使化学获得了长足的发展。这是什么原因呢?

   除了化学传统方法对化学研究的影响之外,那么就是科学的局限性。

   传统的化学方法是指建立在化学反应过程中化合和分解的客观实践,对不同化学物质间化合和分解所建立的规律。这在科学史上,对于鉴别元素的种类起了非常关键性的作用。元素周期律就是典型的这种规律的代表。当然,它对化学物质的化合和分解规律起了很重要的指导作用。

   近代化学理论似乎已经非常完善了,从物理化学到结构化学,当然物理化学不是真正的从物理的角度上所研究的化学,同样,结构化学也同样不是从物质所存在的真实的结构上来研究化学。而是建立在现有的物理理论上的解释化学的方法。物理化学更严格的来说应该是数学化学,因为在物理化学中所采用的方法都是来自于纯数学的方法,或者缩小范围,物理化学来自于统计意义上的物理方法。结构化学就不用说了,是来自于采用量子论的方法所建立的原子结构基础上的化学。对于结构化学来说,除了在原理上提供一种可能性的解释方法之外,不能对物质的化学结构提供新的内容,当然,更不能对化学物质提供更为精细的结构上的说明,就更不用说用它来指导化学反应的科学研究了。从这些化学理论上来说,建立化学的方法都是被动的方法。都是因为存在某种化学物质,而在结构上必须给与一种解释。或者存在一种化学反应过程,而需要对这种化学反应过程给与一种解释,从而推导出类似的化学过程,建立一种数与量的关系。被动的化学理论对于化学的研究和客观实践来说,是远远不够的。

   那么除了采用量子论的方法来建立化学物质的结构之外,是否不能存在其它的方法么?我想这不见得,因果律是物质运动变化的必然规律,同时物质的运动变化都可以采用力学的方法来进行解释,采用力学的方法一定是适用的。依据这样的思路,根据化学元素原子核和核外电子分布规律的力学属性来解释化学元素的属性,则成为一种必然的结论了。

  化学元素的化合与分解可以采用两个原子之间的力学原因进行解释,在哲学方法上是没有问题的。那么,元素化合与分解的问题则是一种原子物理结构力学的建立与破缺的问题。这样看来,化学从微观上来说,则完全融入物理当中,化学仅仅是物理的一个分支罢了。

  化学元素是化学物质结构和解构的根本,因此,本文主要探讨化学元素的力学结构方法。

二、化学元素力学结构的方法

1、化学元素核外电子的结构

  原子核和核外层空间的电子的排布的结构力学属性决定了元素和其它元素相结合的可能,那么我们首先来看原子核外层空间电子的排布。

   在“球壳式原子核结构模型 ————和原子核外电子的力学分布方法”一文中,已经简单介绍了原子核外电子的力学分布方法。采用电子在原子核外层空间排布的唯一确定性来解释原子的结构。当然,这不是说电子没有任何条件的在原子核外层空间的唯一确定性,而是在原子不和外界作用的时候核外电子的力学分布趋势。在外界作用的情况下,原子核外层空间的电子会随着原子的力学属性的改变而改变。一个孤立的不和外界发生任何作用的原子,其原子核和电子的相对位置是唯一确定的并且是相对静止的。

   核外电子和原子核这种唯一确定性的趋势可由如下来决定:原子核中的核子的位置是唯一确定的,当然这不包括核衰变的原子。原子核外层的电子和核子的力学原因决定的相对位置是唯一确定的。(可参见“球壳式原子核结构模型 ————和原子核外电子的力学分布方法”中的五、原子核外电子的力学分布方法”。)

  在具有相同的质子数和中子数的原子核中,存在同核异构体,那么这决定质子数相同的化学元素,其核外电子的排布结构可能是不同的。那么采用质子数作为化学元素种类的结构,是不妥的。比如:氧原子核存在两种稳定性的力学属性相差很大的原子核结构,三质子环的17O和四质子环的18O如图:

o17.jpg (3603 字节)
17O(1)
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18O(2)

   在核外电子的排布上,17O(1)存在9个质子的作用面,其中中间三个电子的作用面为四个质子的作用面,上方三个电子的作用面和下方三个电子作用面为三质子作用面。从力学的作用属性上来看四个质子的作用面上的电子的电离能要大于三个电子作用面的电离能。但是18O(2)只有六个电子作用面,并且全部为四质子作用面。在这六个电子作用面上电子的电离能是等同的。这里的等同是指电离任意一个电子所需要的能量,比如在18O(2)中最外层两个电子被电离后,如果要电离剩下的六个电子之一,选择任一个电子所需要的能量是一个确定的定值。而在17O(1)中电离任一个电子,可能存在两种数值的可能,四个质子作用面和三个质子作用面所需要的能量是明显不同的。

  同一种元素反映在化学的属性上,质子数并不能决定相同化学元素的属性。拥有相同质子数,其原子核化学元素的属性未必是相同的。我想可能有的朋友有这样的问题。采用电离能来判断原子间的化学属性是否缺乏证据。如果化学反应过程中,原子的化合和分解完全依赖于原子的作用属性和电子的排布结构,那么17O(1)具有9个面,核外电子需要排布9个电子才可以达到核外电子的稳定分布状态,这需要17O(1)原子获得一个电子,表现为O-价。也就是说17O(1)具有负一价的属性,具有非常优越的活性,容易获得一个电子。但是18O(2)则不同了,由于18O(2)中8个电子六个面已经各分布一个,它要比17O(1)不易发生化学反应。并且和其它化学物质化合的属性也是不同的。

当然,化学元素的特征就是在化学反应过程中可以和其它的元素进行化和,同样一种稳定的化合物也可以分解,仅依靠原子核外电子稳定性的结构和特点来判断化学元素间进行化合的属性是远远不够的,它仅表示作为一种化学元素单质在化合过程中存在特性。作为化合和分解过程的一种单元。

那么,对化学反应过程采用力学的分析方法是否具有可行性呢?下面我们来看这个问题。

2、化学元素核外电子的分布的可能性

   采用原子核的质子分布结构来确定原子核外电子的分布,这仅仅是确定了化学元素单原子存在时的核外电子分布。它和化学元素在化学反应过程中核外电子的实际分布会存在一些区别,这种区别主要是由于在化学元素化合反应过程中出现了两个或者两个以上的原子核,这和采用单原子中单个原子核核外电子结构的分布是不同的,我们必须考虑两个或者两个以上带正电荷群的原子核,原子核之间、原子核和电子、电子之间的相互作用。这比仅处理原子核和电子之间的作用要复杂得多。

   不管原子核和电子数量是多么的多,可能性是多么的复杂。我们只要根据力学的唯一确定性就可以得到确定性的结论。当然,力学的唯一确定性所指的不是物质的结构是唯一的。而是根据力学作用稳定性来确定力学的结构。原子核外的电子在原子核外层的排布是唯一确定的,如果一个确定质子数不确定的中子数的原子核,根据质子和中子的作用具有n种可能性排布结构,那么稳定的排布结构只有有限的几种。在前十号元素中,只有有限的几种,而有的却只有一种。那么我们只要根据这有限的稳定性的几种同质子数原子核进行核外电子排布就可以了。因为不稳定性的原子核在实际材料的应用过程中并不是很大。

  (当然,特殊情况例外,比如生物学上对生物体采用放射性追踪,就需要采用放射性的物质,作为追踪的目标。这样的目的可以采用不稳定性的原子核作为核外电子的排布结构目的。其区域的范围——放射性也是确定的。)

   现在的元素的种类已经被发现100多种,每一种元素都可能存在几种稳定性的原子核。对于原子核壳层中中子的粘合力等于或者小于质子之间的张力,那么可能一种稳定的原子核都不会存在。这样我们采用稳定性的原子核来建立原子核外电子的排布,首先稳定性的原子核是有限的。电子在原子核外层空间中的存在依赖于和核壳层核子的作用(主要是质子的作用),那么原子核外电子的稳定分布状态的稳定状态也是唯一确定的状态。这要根据力学的实际情况进行具体的确定。请注意,这里的唯一并不是唯一的一种分布状态,而是指的稳定分布状态。(比如在球壳式原子核中,同样数量质子和中子的稳定性的球壳可能存在几种模式,在每一种稳定模式上添加中子,都可以形成不稳定的新的原子核。这种稳定的模式是唯一确定的。)那么,在这种稳定核外电子的分布上去排列与组合两种或者两种以上的原子核间稳定的作用,则是化学元素之间发生化学反应的可能性的模式。对于物质材料来说,可以从形成稳定性的结构来判断物质材料的属性。

   原子核外电子稳定性的排布的有限性决定了化学元素之间所形成的核外电子稳定性的排布的种类和数量是确定的和有限的,完全可以通过化学元素的排列与组合来达到研究物质化合和分解的目的。这样,作为一种科学而言,确定化学元素之间所形成的核外电子稳定性的排布的种类和数量则是化学的目的之一。只要我们根据化学元素之间所形成的核外电子稳定性的排布就可以确定新的化学物质。另一方面,物质材料的性能依赖于物质材料的结构属性,那么这同样也是材料学所研究的目的之一。

   这样,采用原子力学方法建立物质的化学结构对于利用物质世界而言具有非常重要的实用价值。对于研制新的材料,也具有非常重要的意义。

3、化学元素核外电子的可能分布方法

(1)化合物的稳定状态条件

  如果两种化学元素之间可以结合成稳定的物质,那么两种化学元素之间必须具备稳定结合的条件。当然,稳定的状态是有条件的,只能是在某种条件上的稳定状态。我们知道,由化学元素结合成的化学物质都会发生化学反应,在化学反应过程中,物质分子发生分解或组合、原子种类的替换等等过程。这些化学反应都在特定的条件下进行,特定的温度,在液体中特定的酸性环境、碱性环境,气体的特定压力等等。那么,不同化学元素间化合所具有的特征也是在特定环境中的特征。同时,也是针对特定环境中的力学属性。另一方面力学属性也是构成特定环境中的重要因素,而力学属性则是由化学元素核外电子的分布所决定的。对外作用关系、对内力学结构的稳定性。

   没有条件下的稳定状态是不存在的。下面,我们就在这些前提上来看这些问题。

(2)不同化学元素间化合所具有的特征

  稳定结合的条件分别表现为如下方面:

  第一、特定的温度环境

  在开氏绝对零度的时候,除了氢原子单质不能并存之外,其它的原子单质都可以并存。因为只要两个氢原子相互接近,那么两个氢原子就会结合成氢分子。我想这最主要的原因就在于氢原子只具有一个质子和一个电子,在原子对外作用的时候,必然表现为矢量作用力。因此,氢原子是最为特殊的一种原子。因此,氢原子在和其它的元素进行化合反应过程中,其特性也是非常独特的,在后面我们要对这个问题进行单独的讨论。

   由于在开氏绝对零度的左右,所有分子原子的动量都可以近似当作零看待。由于绝大部分分子、原子的核外都包着一层电子,对原子、分子外层空间的作用可以当作零处理,即原子分子之间在绝对零度的时候不具有引力和斥力的作用,那么绝大部分物质的分子、原子都可以并存。不会发生原子和分子之间相互转移的化学反应。

   但是,如果我们将温度升高到一定的温度,那么在这种特定温度下的分子、原子会由于它们之间的相互运动而发生碰撞。在碰撞的过程中,在低温下可以并存的一些物质比如氢气和氧气,则会发生化学反应,生成水。化学反应的过程,则是由于分子原子间的相互碰撞所引起,或者说是由于分子和原子之间的相互作用所引起。所形成的结果就是分子原子之间电荷分布的变化。

   此外,对有些物质,比如碳酸氢铵,只要稍微一加热,它就会分解。因此化合物的稳定性,特定的温度环境是必要的。

   因此,对于化学物质的稳定性,我们需要指出确定的温度环境。在微观上,确定的温度环境所指的是物质分子的动量,它所表示的是物质分子的平均动量。由于物质分子在不停的运动,那么在化学反应过程中,代表两种化学物质的作用程度。

   在地球的环境中,温度环境通常指开氏240度到310度的温度环境,采用摄氏为0下30度到0上40度。对于化学反应,有一定的片面性,可以定义到化学反应所需要的任意的温度环境。

  第二、特定的物质环境

   我们知道,空气中含有有氮气、氧气、二氧化碳等气体组成,这些气体可以并存。但是如果我们在空气中加入一些新的物质,比如过氧化钠、钾、钠等一些化学物质,那么这些原有的可以并存的物质则不能并存了。

  特定的物质环境在特定的温度环境下都可以达到一种稳定的物质分布状态,比如我们将N种物质放到一起,当这些物质之间不再发生化学反应时,并且增加其中的任意一种物质,都不能使现有的物质之间发生化学反应,那么我们就可以说确定物质的分布状态已经达到稳定的分布状态。这种稳定的物质之间不会发生化学反应。

   物质的稳定分布状态在微观上就是物质分子的结构属性已经达到了稳定的分布状态。物质分子中原子之间存在稳定的力学结构,并且在物质分子间特定的作用强度下,物质分子的结构不会发生任何的改变。

   在我们人类生活的环境,由于空气、土壤等存在一系列的物质,那么我们通常所指的稳定的物质环境也是这种环境。但这样的定义有一定的片面性。我想可以推广到任意定义的物质环境。

  第三、两种化学元素的原子之间必须具备稳定的作用结构

   在特定的温度环境和特定的物质环境中,两种化学元素的原子之间所具有的稳定结合状态的力学结构。如果仅仅是单独的两个化学元素的原子之间具备稳定的作用结构,那么未必可以形成稳定的物质。比如:氢原子除了不能和2号元素的氦原子形成稳定的作用结构之外,而其它任何一种化学元素都可以形成比较稳定的力学结构。这是因为氢原子是由一个质子和一个电子两个异种电荷所构成的一个原子力学结构,这个结构具有一种矢量的特征。而在原子的近距离上,由于原子外围被电子包围,原子核外的电子会对其它的原子表现为负电的作用。因此,普通的两个原子之间在近距离上表现为斥力。但唯独氢原子和其它的原子之间的作用表现为引力。因为不论是正电荷还是负电荷的作用,都会对氢原子这种特殊的结构产生引力的作用,并且这种引力的作用形成氢原子和其它原子的一种相对稳定的力学结构。

   那有些朋友一定会提出这样的一个问题,就是氢原子为什么不和除去氦原子除外的其它的原子形成稳定的化合物,这不是很费解的问题。比如氢原子和惰性气体氖。为什么不形成氢氖化合物?

   一个氢原子和氖原子形成稳定的力学结构是很正常的事情,但最关键的问题是氢氖化合物再和一个氢原子相遇,则情况立即改观,因为这个氢原子仍然要融合到这个氢氖化合物中。两个氢原子之间的稳定性的结构相对来说要非常的稳定,这就形成了氢分子。氖原子则要从两个氢原子之间脱离出去,而变成氢分子和氖原子了。这样就不能形成稳定的氢氖化合物。当然,氢原子是非常特殊的原子,可以作为特殊的情况排除出去。但不能排除这样的情况:

   一个稳定的化合物,在特定温度环境中,不能和化合物中所包含的原子的作用,不能形成除化合物的本身之外的其它物质形式,比如:不能分解、不能聚合。从而达到两种化学元素的原子之间所具备稳定的作用结构有任何的改变。

  (3)不同化学元素间所具有的特征和化合物、环境的属性的关系

  第一、经典的不同化学元素间所具有的特征和化合物、环境的属性关系的弊端

   整个的化学是由化学物质的属性、不同原子间化和与化合物的分解等化学反应、溶液的属性、物质的属性等所构成,在传统的化学方法中,通过经验约定的方法,去寻找和发现化学元素、化合物的属性和规律。在传统的化学规律中,无疑元素周期律是对化学元素进行化合和分解解释得最为详细的规律之一。另一方面,在现在的化学客观实践中,反映出了采用元素周期律也不能很好的解释的问题,这说明,采用元素周期律对化学反应也不是最佳的规律之一,换句话说,它不是终极规律。当然,在现在的化学实践中,想找到一种比元素周期律这样的规律更为优越的规律是很难的。

   采用元素周期律对化学元素的属性进行解释,它是通过核外电子的排布规律来实现的。它认为物质核外电子的排布规律决定了物质的属性。在现有的物质元素中,元素周期律的排布规律是适用的。但是,对于微观原子和分子的化学反应过程,采用元素周期律所建立的规律则不在适用。

  一方面是,元素周期律未能携带化学反应过程的信息,它和力学过程是无关的。因此它不能解释化学反应过程中的力学过程。

  另一方面在于采用元素周期律去解释元素化和与分解,是采用最外电子层达到8个作为稳定性的原因之一,通过最外电子层电子得失来判断两种元素可否发生化学反应。它认为:两种或两种以上的原子在化合的过程中生成新的化合物,原子在新的化合物中离子最外电子层要达到8个电子,才构成稳定状态。同时,也决定了新的化合物是否可以生成的标准。

   化学的客观实践说明,并不是所有的化学反应都遵守这样的规律。比如氢和锂发生反应可以生成氢化锂。个别的惰性气体也会发生化学反应。1962年,化学家巴莱特合成六氟铂酸仙XePtF6,后来又有人合成四氟化氙XeF4、XeF2、XeF6、XeO3、XeRhF6、XeRuF6、KrF4等。

  过氧化物和超氧化物的解释也是非常牵强的。比如过氧化氢、过氧化钠、超氧化钾等。就拿超氧化氢来说吧,如图:

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超氧化氢

    其中大球表示氧离子,小球表示氢离子。为了对核外最外电子层表示达到8个电子。两个氧离子共用两个氢离子的两个电子,如图:

 

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过氧共价离子

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超氧共价离子

    那么,两个氢离子呢?一个氢离子只有采用分别共用两个氧原子和另一个氢离子的电子,而氢原子则彻底失掉电子。如果说这样解释还算说得过去的话,那么超氧共价离子则比较不易讲通了。如图:

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    其中大球表示钾原子,小球表示氧原子。钾在过量的氧气中燃烧会形成超氧化钾,根据燃烧过程。钾原子和氧分子发生反应必然是首先形成氧钾离子然后再和氧分子发生反应,形成超氧化钾。钾原子和氧分子直接化合成超氧化钾则不会放热。这和客观事实是不符的(可参见动量定律在化学过程中的一个应用规律 )。那么采用传统的价键理论对这个反应过程解释则不能解释通。客观事实应该是钾原子和氧分子发生化学反应,首先生成一个氧原子和一个钾原子的化合物和氧原子,这个过程是放热过程。而后一个氧原子和一个钾原子的化合物和氧分子碰撞,生成超氧化钾和另一个氧原子。而氧原子和钾原子的反应则是吸热过程。

    如果氧气不过量,那么一个氧原子和一个钾原子的化合物和钾原子碰撞的几率则较大,会形成氧化钾。氧气过量,则容易和氧分子碰撞,从而生成超氧化钾。两个氧原子之间的碰撞,则形成氧分子。氧原子和钾原子碰撞,则形成一个氧原子和一个钾原子的化合物。这里面,完全是一个几率碰撞选择的问题。

    氧原子和钾原子碰撞,则形成一个氧原子和一个钾原子的化合物。在化学反应过程中不论是超氧化钾的生成还是氧化钾的生成。这两者是没有区别的。那么采用电子轨道理论的解释显然是难以解释的。如何去描述一个氧原子和一个钾原子化合物的中间产物,在最外电子层上,则不能处理这个问题。

    如果采用传统的化学理论来解释,如何解释超氧共价离子的生成还是一个问题。如果一个氧分子和一个钾原子一次碰撞生成超氧化钾,这是吸热过程。这和事实不符。如果先生成一个氧原子和一个钾原子的化合物,那么对于最外电子轨道层的排布则成一个问题。碰撞过程中分解后的产物,分解的双方不能携带异种电荷,否则不会分解,异种电荷会吸引到一起。

    采用传统的分子中的离子最外电子层为8个电子,不能解释化学反应的微观过程。

    虽然采用元素周期律可以解释很多化学现象,但是不能解释化学反应的微观过程至少说明这样的规律有一定的局限性。不能解释化学反应过程中的其中环节,说明它所反映的不是微观物质运动变化的真实规律。

  另一方面,化学反应过程都需要确定的温度,键价理论不能解释特定的温度。忽略掉特定环境的温度的事实,采用数学上排列与组合的方法去解释化合物的生成对物质运动变化来说是不够的。

第二、不同化学元素间所具有的特征和化合物、环境的属性的力学关系

    ㈠物质的存在属性是可以通过它和外界的作用属性来实现。比如硬度,物质的力学属性更为坚实;密度,单位体积的质量在引力场中所受的作用力最大;颜色,反射和吸收电磁波的表现出的属性。熔点、沸点表示微观物质分子在无序运动的剧烈程度中所表现出微观结构的属性。物质的所有属性都和力学有着确定的关系。另一方面,从物质运动的个体上来说,受力发生的运动变化是物质运动状态发生改变的根本。那么,采用力学过程是解释物质运动变化最根本的原因。同时也是解释物质的存在属性的基本原因。对于解释物质的本身而言,力学的方法也是最根本的方法。

    在现在的化学的方向中,也一直贯彻着这样的思路。阿佛加德罗常数,建立了宏观和微观的个体之间的关系。元素周期律,建立了微观个体的属性和化学反应过程中的属性。力求采用微观物质的个体来解释物质的结构与属性。从发展的方向来说,现在的化学更为接近科学的物质观念。但是,由于在一个世纪以前科学条件的限制,对微观物质世界的个体不能采用力学的规律去解释微观个体的结构、运动变化规律。而采用现在的量子论的方法去结构物质世界的属性。这样描述物质世界的本身并不是科学的。因为我们的目的是微观物质的运动变化规律,力学的方法去构建物质的属性则应该是必然的。

   电荷的本身存在库伦力,或者更微观上说电的作用。这在科学上已经经过证实的。传统化学中采用价电理论也是采用物质基本单元的属性进行解释的途径之一。但是这样的途径并不是以作用力作为解释的原因。而仅仅是一种微观粒子的属性罢了,从现在的化学中我们不能看出丝毫的力与运动的关系。

   采用微观结构作用力的方法本身就提供了一种解释化学作用的依据。如果化学所研究的微观分子、原子的结构与解构其属性是通过力学来实现的。那么通过微观电荷间电的作用的分析,可以去解释微观物质分子原子行为和属性。主要反映在不同的空间位置、不同的排列结构、不同的力的强度上。

   ㈡化学元素存在特定的结构,已经确认的108种化学元素就是有力的证明。在这个问题上,我认为还存在一些争议,相同元素不同的原子核的的原子作为同一种化学元素是缺乏有力的根据的。虽然在传统化学中我们已经作了这样的确认,但是这只是针对丰度较高的核结构而言。相同元素所有的稳定性原子核是不是都具有相同的化学特征,这个问题作为一个确定性结论在化学历史的时间段里是不能建立这样的根据的。在球壳式原子核模型中,相同元素存在结构属性相差较大的原子核。比如氮原子核存在三质子环和四质子环两种相差较大的结构。如图:

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n14
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n13-2

    由于这两种核结构相差很大,核外电子的结构必然相差也很大,那么化学反应的属性必然也是相差很大。对这个问题的实验确认目前有一定的困难,主要是如何确认氮原子核三质子环和四质子环两种相差较大的结构,以及如何使这两种原子核参与反应。对于判定原子核结构同化学属性的关系来说,这是一个崭新的课题。另一方面,也是相同质子数的元素在化学反应中是否都可以表示为相同化学属性的元素的鉴别方法。我认为,质子数相同的原子核,但是质子的空间排布结构区别较大的原子,其化学属性必然是不同的。原子的结构力学属性是化学属性的本质原因之一。

    ㈢在前面我们曾提到过原子的化学属性在化学反应过程中的一个特殊例子,氢原子除了不能和氦原子结合成稳定的力学结构之外,它和其它所有的原子都可能形成稳定性的力学结构。那么,由于两个氢原子之间的作用比较稳定,它们之间的稳定程度要大于氢原子和参加反应原子之间的稳定性。那么两个氢原子之间要结合成氢分子。当然,这种情况不仅仅限于氢原子,后面要讨论。这种物质环境也造就了常规的化学属性。在原子本身的结构力学属性所反映出的化学属性里,被传统化学所覆盖掉了。这也是传统的化学不能解释化学反应过程的一种原因。

 (4)微观物质力学属性在不同化学元素间化和、对化学元素的要求及意义

   物质间进行的化学反应,其中反应生成物元素之间除了构建稳定性的力学结构之外,最重要的还在于最稳定性的结构。前面我们提到的氢原子除了和氦原子不能形成稳定性的结构之外,几乎和其它所有的原子都可以形成稳定性的结构,但是氢原子可以和其它元素进行化学反应却远没有这样广泛。原因就在于不能和其它的元素形成最稳定性的结构。

   从物质的化合环境来说,相同的化学元素进行化学反应,生成物的不同,最稳定结合状态的原因也是最重要的原因。比如碳的三种单质,碳、石墨、金刚石。如图:

 

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石墨
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金刚石底面
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金刚石

    图中采用11C作为碳的原子核,在原子核的质子结构中,和12C是相同的。由于标注石墨和金刚石的电子存在一定的困难,即便标注上也不能在平面图上看清,因此,就不对石墨和金刚石进行标注了。另一方面,图中所画的图仅仅是示意图,不是原子的真实距离。图中所画的主体是原子核。

    碳的原子间的力学结构是零散的,没有稳定的力学结构。在碳原子中,三个四质子面分布三个电子,两个三质子面分布两个电子,另一个电子为自由状态。每一个碳原子共有六个电子。

    石墨在三质子面上,两个碳原子共用一个电子,并且在两个原子交接的地方外围,分布三个电子。这样可以形成稳定的力学结构。不易和其它物质发生化学反应。但是再在两端增加碳原子的个数,则会缺少一个电子才可以形成最为稳定的力学结构,由于三质子面的粘合面比较稳定,不易遭到破坏,因此增加的碳原子会形成一个四质子面上的电子空缺,由于在碳原子三质子粘合面上的最外层的三个粘合电子,其状态区别不大,因此石墨会形成空穴导电。

  金刚石的结构是正四面体,我们先来说它的底面。金刚石在四质子面上,三个原子共用中间的一个电子之外,在三个原子的夹隙各分布一个电子。在金刚石的顶部的一个碳原子则采用三个质子面和底面的三个碳原子粘合,四个碳原子共用中心的点子。并且在和底部三个碳原子形成的三个粘合面上,各分部一个粘合电子。这样四个碳原子中所有的电子都处于一个力学结构状态,并且是极为稳定的。因此,金刚石的硬度也最高。

    石墨和金刚石都具有非常稳定的结构,因此不易和其它的物质发生化学反应,从而再进一步形成更为稳定的结构。我们可以看到,单质的不同就在于相同元素原子间的力学结构的不同。实际上,不同单质的力学结构具有完全不同的属性。

    不同的化学元素间的化合,就形成了丰富多彩的自然世界。不同的化学元素所化合成的物质,就在于具有不同的力学结构属性。因此,自然世界中物质种类的丰富,完全归结到化学元素上还不如划归到不同的力学结构属性上更为合理。

    在现在的化学中,将不同的化学物质采用元素来划分,寻找化学物质化和的规律,以及物质材料所具有的属性。我认为这样的方法不是最好的方法,应该采用物质微观结构的力学属性最为合适。因为微观物质的结构力学属性决定了元素化合的规律。从材料的应用上来说,也同样是这样。寻找到确定微观物质结构的力学材料,那么就等于寻找到了需要的物质。从物质的微观结构力学属性上,是一种建立物质属性规律的有效方法,并便于实际的应用。

    因此,在这里建议采用微观物质结构力学属性作为化学的研究目的。从另一个角度上来说,化学发展到现在,无非是寻找工业或者科学上的物质材料,建立物质属性的规律。从这一目的上来说,将化学的方向和目的建立在微观结构力学属性和规律上,无疑是和这一目的是非常吻合的。而采用单纯的研究元素之间的化合规律则不能达到这样的作用。

    另一方面,相同质子的原子核的不同结构和化学属性的关系也会提供更为广阔的前景。这些是采用研究元素之间的化合规律是远远不能达到的。

    这样,化学已经名副其实的成为物理学的一个分支。化学应该可以合并到物理中,我想应该属于微观物质的结构力学。

三、化学元素核外电子的可能分布

    对于原子核核外电子的分布,在球壳式原子核模型中已经讨论过了。这里主要是化合物质中的原子核外电子的分布可能分析。

    1、原子核内层电子的分布

    在传统的原子核外电子的排布规律中,核外电子采用量子论的分层式的原子结构,认为原子核外层的电子的排布规律为2、8、16、32等,元素化和最外层电子的排布满足为8个电子作为稳定状态。我想这样仅仅是为了和已有的化学反应规律吻合以及玻尔原子模型接轨。这样的规律不是以因果规律作为出发点,它所反映的也不是真正的物质运动变化规律。也许称之为纯粹的数学规律更为合适一些。

    我们只要根据力学的稍微分析一下,就会发现这样的理论模式不能反映物质存在的真实性。举个例子来说,在化学理论中认为,两种元素的化合,化和发生在原子核最外层的电子上。比如钠在氧气中被氧化成氧化钠。氧原子核最外层电子为六个,钠的最外层电子为一个电子。两个钠原子和一个氧原子结合成的氧化钠。由于原子核被电子包围着,在核外存在较多的电子。库伦斥力就是一个不能产生力学结构的最大的困难,另一方面,空气中的分子在常温下每秒上千米的速度运动着。紧靠最外层电子的结合又怎么能在如此高速的碰撞下存在呢?另一方面也不能解释化学反应都需要确定的温度。从原子的结构上来看,也是根本不能存在的。我们知道一个物体的空间位置可以采用六个方向来描述,上下、前后、左右。那么八个电子如何分布在这六个方向上呢?很显然,我们不能做到。

    因此,原子核外的电子在化合过程中绝对不可能仅仅是最外层电子的结合,两个或者多个原子之间的稳定结合,必然是以稳定的力学结构作为前提,而仅仅依靠最外层电子的结合是不能实现稳定性的分子结构的。从原子核的核外电子的结构上来看,化合的物质其原子核的结合必然是以最内层电子为主要的力学结构作用点。两个原子核都会对同一个电子产生库仑引力的作用。

    稳定分子的力学结构必然发生在最内层的核外电子上,而不是最外层。

2、原子核内层电子在化学反应过程中的力学结构位置

   对于质量较小的轻原子,如果要形成稳定的多个原子的力学结构,那么在核外电子的排布上存在一定的规则,这对于采用简单的方法来判断分子中核外电子的分布状态是非常有利的。对于重原子,采用简单的方法则不易解释了。但我想它应该存在一些确定的规律。

   对前十号元素的分析表明,采用核外电子的排布的稳定力学结构可以对化学反应进行解释。比如二氧化碳。这里就以氧气和碳的反应来说明这个问题。

   氧原子核是由8个质子构成的正立方体,存在6个四质子面,6个核外电子分别位于六个质子面核原子核心的连线上。另两个电子为自由电子,分布在第二电子层以原子核为中心的的对称位置上。电子就不画出来了。如图:

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16O

   碳原子核由六个质子构成,存在三个四质子面,两个三质子面。5个核外电子分别位于5个面上,余下的另一个电子则处于一种自由状态。如图:

c11-hx.jpg (2852 字节)
11C

   氧原子和碳原子之间的力学结构必然是以四个质子面相衔接的结构。三质子面和四质子面之间不能衔接成稳定的力学结构。

   氧分子和碳原子碰撞,首先形成一氧化碳。从碰撞过程来看,氧分子和碳原子的碰撞方向决定碳原子只能和一个氧原子结合。因为必须要打破氧原子和碳原子之间的原子势能。必须碰撞到第一层原子核外的四质子面上的电子上,或者换句话说,这个电子区域要重合。那么就会形成四质子面相衔接的稳定的力学结构。在氧原子和碳原子碰撞面上,氧原子中的两个对称电子、碳原子中的一个自由电子以及重叠面上积压出的一个电子会分布到四质子面相衔接的外环上,从而形成稳定一个氧原子核一个碳原子的稳定的结构,或者说一氧化碳。这四个电子起到粘合剂的作用(加上重叠的电子共有5个粘合电子)。

   一氧化碳和碳原子碰撞,在氧原子衔接相反方向的另一个氧原子面上,则不能和碳原子在结合,因为缺少衔接的四个稳定的粘合电子,只能存在两个粘合电子,(原子核之间、电子之间存在库仑斥力的作用。)

   一氧化碳和氧分子碰撞,碳原子的另一个四质子面作用的电子则可以和氧原子发生氧分子和碳原子的碰撞过程,但不同的是会减少一个粘合电子。重叠挤压出的一个电子加上氧原子对称的两个自由电子,可以存在三个粘合电子。(加上重叠的电子共四个粘合电子,仅比一氧化碳的粘合电子少一个)。一个二氧化碳分子中,两个氧原子和碳原子的衔接的微观力学结构是不同的。除了缺少一个电子之外,两个氧原子核和碳原子核的连线成120度的角度。因为碳原子核三个四质子面所构成的是等边三角形。

   如果我们在二氧化碳中再加入高速运动的碳原子,或者让二氧化碳分子高速运动,并打击碳原子。可以肯定,由于二氧化碳中存在不同稳定结构的微观结构状态并且不是中心对称的,那么二氧化碳加一个碳原子会在不稳定的微观结构上断开,形成一氧化碳。

  

   在轻原子核中,采用相同的质子面作为稳定结合的条件是判断分子微观稳定性的一种有效的方法。当然,还需要根据粘合电子的数量及结构的稳定性来判断。在重原子核中,这样的稳定性特征则不太明显。这需要确定中子对核外电子作用的影响。

   对于重原子核,由于核结构必然存在一个收口的过程,因此也存在这种质子面的问题。应该存在的质子面为三质子面、四质子面、五质子面、六质子面,再比六质子面还要大的应该不存在了。质子面的数值越大,表明共用电子的电离能越高,化学反应所需要的温度也越高。重原子在这方面趋向于轴对称(这要看核子的排布了)。

四、化学元素在化学反应过程中所表现的化学属性

    在化学中,物质的化学属性是化学所研究的重要的内容之一。但是由于传统中所采用的描述方法和微观力学的结构是无关的,因此可以认为传统的化学和物质运动变化原理的关系不大。这里我们重点来从微观结构上,从物理的角度上来研究这个问题。

    化学物质的颜色、硬度等通常都采用物理属性来解释,我认为这可以划归到化学的属性上,因为化学的颜色是物质吸收和反射光线所形成的特征,吸收和反射光线却需要通过分子中电子的的结构属性来实现。硬度当然更不用说了,它是分子之间的结构和结合强度所表现出的。这些都需要通过微观分子的结构力学属性来实现。不难想象,只要微观分子的力学结构是确定的,那么这些都是可以定量和判断的。这样,以前物理和化学关于物质属性的界限则消失了。

  在传统的化学中,有一个领域是非常重要的,就是关于物质化学属性的一个物质属性判断的领域,即通常所化学中的酸、碱、盐。它现在还在指导着现在化学中液体化学反应的应用。对于液体参与的化学反应,这是一个非常重要的领域。因为液体的环境是我们人类生活和工作的温度环境。这里我们主要对传统酸、碱、盐的领域给与物理上的解释。

1、特殊的氢原子、氢离子和化学元素核外电子的结构在物质过程中所反映的作用属性

  除了氢原子之外,普通的原子的核外都被核外电子包围着,任何两个原子相互接近在距离接近到一定的时候,都会受到原子核外电子负电荷的斥力作用,只有氢原子例外,因为氢原子核外只具有一个电子,不论是遇到表现为负电的粒子,还是正电的粒子,氢原子都会和这个粒子产生作用。即便是原子也不例外,在近距离上,氢原子都会和它们产生作用。因此,氢原子是一个极其特殊的原子。

  但是两个氢原子之间可以结合成氢分子,前面我们已经说过,氢分子是极其稳定的粒子,两个氢原子结合成氢分子是吸热过程,不需要任何动量。单独的一个氢原子在自然界中是极其少见的,只有在化学反应的过程中才会短暂的存在。

   前面我们也简单的探讨了原子核和核外电子结构的关系,不同质子结构的原子核,其核外电子的排布结构是不同的,根据多个原子核之间的核外电子稳定的结构和物质环境,可以确定化学反应是否可以发生。这些都是在分子运动具有确定动量的前提下进行讨论的,因为核外电子之间的斥力使多个原子之间的化学反应需要确定的动量。

   氢原子、质子(氢离子)和其他化学物质发生化学反应不需要动量,只要存在相对运动就可以了,因为它们本身电荷的结构就可以使它们和其它化学元素产生化合。虽然氢原子仅有一个质子和电子构成,但是它所具有的这种特殊的作用决定了它在化学中的特殊地位。这在现在的化学中存在非常重要的应用,这就是酸、碱、盐的化学反应。

   我们知道,在现在的化学认为,水溶液或者酸中包含氢离子(质子)。酸、碱、盐是现在化学中一个非常重要的内容,我们这里就来看酸、碱、盐的物质作用原理。

2、“氢离子”的溶液属性

   在现在的化学观念中认为,纯净的水中不存在氢离子,或者存在的量极其微小,这一点从纯净水不导电似乎可以得到证明,我们给具有一定杂质的水溶液中通电比如酸溶液,是可以导电的。酸溶液中存在自由移动的氢离子,纯净水中不能存在自由移动的氢离子,这样的一个结论似乎是确定的。但是,只要我们稍微思考一下就可以明白,这不能证明纯净溶液中不能存在自由氢离子,也不能证明酸溶液中存在自由移动的氢离子。两者没有必然的联系。在讨论这个问题之前,我们需要对水分子有一个认识,我们先来看一下水分子的结构:

⑴水分子结构

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水分子

  在水分子中,氧原子的核外电子前面我们已经说过,“氧原子核是由8个质子构成的正立方体,存在6个四质子面,6个核外电子分别位于六个质子面核原子核心的连线上。另两个电子为自由电子,分布在第二电子层以原子核为中心的的对称位置上。”但在这里是存在一点区别,区别在于两个自由电子和两个氢原子电子,这四个电子形成稳定的对一个氢原子核的粘合,另一个氢原子核位于和这个氢原子相对应的另一头。(水分子的源文件)在距这个氢原子核周围,仅存在一个粘合电子。[这里说明一下:在传统的化学中,水分子的结构不是这样的,传统的水分子H—O—H的健角为104.5度]

   从水分子的结构上,我们可以看到,水分子中的一个氢原子具有稳定性,另一个氢原子由于在近距离处仅存在一个电子的粘合,其的稳定性相对较弱的多。在有外来的作用下,水分子中的一个氢离子(质子)容易失去。

⑵纯净的水分子和外界的作用

   如果溶液中是纯净的水,那么每一个水分子都是这样的结构,水分子之间的碰撞仅仅是交换水分子中的不稳定性的那个氢原子,对于水溶液而言,水分子在交换前后,没有区别。在弱电场中,水分子和电极的碰撞不能使水分子从电极上获得电子,因为即便是获得了电子,由于碰撞后失去一个氢原子的氢氧离子需要获得一个正电荷,而容器中的没有其它的正电荷的粒子替代碰撞出的氢离子的位置,这个状态是一个质子(氢离子)和氢氧离子的结合势能大于电极的电势。因此不能使纯水形成导电状态。

  但是在强电场中则不是这样了,在强电场中的负极,在这里指氢氧离子中的氢和氧的结合势能小于或者等于电极的电势。那么水分子和负电极碰撞后,质子(氢离子)则会在负极上获得一个电子而变成氢原子,或者水分子变成携带一个负电荷的离子H2O-,两个氢原子相遇则会结合成氢分子,变成气体逃逾出水面,或者两个H2O-相遇变成氢氧离子和氢气。而氢氧离子则和水分子碰撞,水分子将氢离子传递给氢氧离子而自身变成氢氧离子,氢氧离子和氢离子则变成水分子,这样传递下去。

  在强电场的正极,由于电场正极不能对氢离子产生亲和作用,形成氢氧离子和氢离子,因此电源正极对水分子不能产生分解作用,水分子和电极正极碰撞后,会保持不变。但是一旦负极所传递过来的氢氧离子和电极正极碰撞后,电极夺取氢氧离子中的电子,氢氧离子则会失去电子变成不稳定的氢氧离子的结构,在传统的得失电子的表达式中,可以表达为HO、HO+。从氢氧离子中失去一个电子或两个电子不等。这就看电极电势的相对强度了,这种情况仅限于在正极附近。两种这种离子碰撞则形成O2,析出氧气。氢离子和水碰撞则形成H2O+,H2O+存在时间较短,和氢氧离子碰撞则生成水。

  电解纯水需要的电压较高,因为电解电势要大于氢氧离子之间的结合能,从稳定的氢氧离子中获取电子。因此纯水一般情况下是不导电的。

  在电解过程中,氢氧离子或者其它的离子不能单独存在,而是通过碰撞进行传递。

⑶质子的作用属性

  由于氢离子(质子)仅具有一个单位的正电荷,并且原子核外部不具有电子,氢离子(质子)可以和任意质子面的核外电子分布结构产生相对较为稳定的作用,因此几乎和绝大部分表现为电负性的物质都可以发生作用。质子的作用属性在化学中的位置是至关重要的。在化学上,通常叫做酸的属性。这是研究微观物质间的作用——库仑力的作用在力学结构中非常重要的一个部分。

  我想,这不仅仅反映在溶液中,质子和非溶液中的物质的作用也是同样的。

⑷氢氧离子的作用属性

  氢离子的作用属性表现为正电的属性,在溶液微观粒子的作用中,还存在另一种相反的表现负电属性的离子,大家知道这种离子叫做氢氧离子。

  氢氧离子和其它负离子的不同之处在于它含有一个质子,具有电矢量的特征,在和微观物质的作用中,不论是表现为正电属性的物质,还是表现为负电属性的物质,在碰撞过程中它都可能发生作用。氧原子本身表现为电负性,但是在氢氧离子的另一端还存在一个质子。这样,氢氧离子对外作用的特征范围将会是非常的广泛。

   氢离子(质子)和氢氧离子和物质间的作用是非常重要的。

3、物质的化学作用的属性

   物质间所发生的化学反应,其过程可以采用电荷的库仑作用属性来描述。当然,采用电荷的库仑作用属性不仅仅可以描述化学反应过程,还可以描述微观粒子的力学结构。采用电荷间力学属性是描述化学作用的根本,和电荷的电磁理论相结合,几乎可以描述化学物质的所有属性。

   这是化学研究的一个基本的方向。

4、物质之间的结构属性及不能确定的因素

   所有的化学物质都可以从微观力学结构上去解释,采用的方法就是利用正电荷和负电荷之间的引力作用以及同种电荷之间的斥力作用。从力学的方向来看,这是毫无疑问的。

   但是,对于原子核还有一个重要的方面未曾搞清楚,这就是中子对分子力学结构的影响。氢、氕、氘三种氢原子核构成的氢原子,它们之间的原子光谱在精细结构上存在一定的区别。这种种迹象表明,中子对于原子的力学结构具有一定的影响。

   这个领域对于微观物质的作用结构上来说,是一个尚未开发的领域。

五、将化学纳入到物理中的意义和实用的价值

   通过微观物质的力学结构来研究微观物质的化合与分解,这是未来化学的趋势和必然。采用这样的方法来研究化学有这样的实用价值:

   1、只要建立了微观物质结构单元(原子)的种类、结构和标准,那么我们就可以根据它们的力学结构去构建新的物质和材料。可以以此建立所有微观物质结构单元(原子)可以组合的力学结构,换句话说,可以构建所有可能性的物质。

   2、根据我们需要的物质和材料,采用微观物质结构单元(原子)的种类、结构和标准去构建。对于寻找新的材料来说,这无疑是一种非常重要的方法。

   将化学纳入到物理中,无疑这样的思路就建立了采用力学结构去描述微观物质结构的方法。那么,这会打破现有的化学结构体系。因为一旦纳入到微观力学结构中,化学的对象则是原子微观结构的力学属性。这样我们所需要区分的则是物质结构间的力学区别、作用属性的区别。而不是现在化学中的那种元素和哪种元素可以发生化学反应,那两种元素之间不能发生化学反应了。

   可以想象,将化学纳入到物理中,这对于化学的领域、化学在科学和生活上的实际应用将会是非常的广阔。

 

[后语]本想写一篇方法上的文章来简单的说明一下化学的方向和方法,但是在实际的写作过程中要涉及到一些实际的问题,反而越啰嗦越多。最后草草收笔,可以叫做虎头蛇尾吧。一方面是在写作过程中参考一些化学教材,从逻辑的推到上来说,出现很多的出入。每一个问题都要去思考,这需要花费很多的事件和精力,这对于一篇方法文章来说,是“不务正业的”。最后又删除了一部分计划的关于实际的内容(酸、碱、盐力学分子的结构,在原子核的结构上,不确定因素[随着原子量的增加,出现可能性的种类较多]很大,仅凭个人的能力,是有一点困难的,另一方面,和手中的传统数据出入较大,不能接手第一手的材料和采用试验的方法验证),因此,将这些不确定的部分最后给予删除,并作了一点增补。因此,本文一定存在一些原计划遗留的缺陷,欢迎您写信交流。

   到了最后的现在,我只希望本文的目的在于提供一种方向的方法,有兴趣的朋友,我们共同努力。化学的未来,一定是美好的、广阔的。

   志勰  2002年10月20日