淺談物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論

秦卓凡

【摘要】以當(dāng)今中國(guó)化學(xué)家的最新科研成果為愛(ài)國(guó)教育素材，以問(wèn)題為中心，以高中化學(xué)選修3內(nèi)容，并就量子力學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)史 鮑林 電負(fù)性 中學(xué)化學(xué)以化學(xué)史為線索；以當(dāng)今中國(guó)化學(xué)家的最新科研成果為愛(ài)國(guó)教育素材；以問(wèn)題為中心，以高中化學(xué)選修3內(nèi)容，并就量子力學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了探討。

一、關(guān)于量子力學(xué)

微觀世界的特征是量子性和概率性，而愛(ài)因斯坦不接受概率性觀念 （“上帝是不擲骰子的”），但量子力學(xué)和相對(duì)論的正確性卻不斷被證實(shí)?！叭绻l(shuí)不為量子論而感到困惑，那他就是沒(méi)有理解量子論”（玻爾）。量子力學(xué)已將世界帶入量子計(jì)算機(jī)時(shí)代。量子化學(xué)處理問(wèn)題時(shí)，更多的把電子看成是波。

二、關(guān)于構(gòu)造原理

鮑林是迄今為止唯一兩次單獨(dú)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家，也是人類(lèi)有史以來(lái)20位最杰出的科學(xué)家之一。他根據(jù)光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了構(gòu)造原理。

三、關(guān)于電負(fù)性概念

借用拔河來(lái)比喻成鍵兩原子對(duì)共用電子對(duì)的吸引，自然引入電負(fù)性這個(gè)物理量。上世紀(jì)30年代，鮑林為了描述化學(xué)鍵的性質(zhì)提出了電負(fù)性概念。由于電負(fù)性差異導(dǎo)致分子中電子云分布不均勻而呈現(xiàn)極性。量子化學(xué)已能較精確的計(jì)算每個(gè)原子的帶電荷量，從而為研究反應(yīng)歷程，發(fā)現(xiàn)新的反應(yīng)規(guī)律創(chuàng)造了條件。鮑林用了一個(gè)極簡(jiǎn)單的電負(fù)性概念代替了復(fù)雜的量子力學(xué)計(jì)算，其大道至簡(jiǎn)的科學(xué)思想為化學(xué)家所稱(chēng)道。自從鮑林提出了電負(fù)性概念后，引來(lái)全世界許多化學(xué)家對(duì)其進(jìn)行研討。主要集中在兩方面，第一，關(guān)于電負(fù)性的標(biāo)度問(wèn)題，提出了許多計(jì)算電負(fù)性值的公式，如中國(guó)著名量子化學(xué)家溫元?jiǎng)P教授（鮑林的學(xué)生）提出的公式。有人用量子化學(xué)方法計(jì)算分子中的電子密度來(lái)定量表示電負(fù)性大小，因?yàn)榉肿又须娮釉泼芏扔煞肿榆壍乐械闹荡_定。第二，在概念內(nèi)涵的拓展上，引申出了基團(tuán)電負(fù)性、分子電負(fù)性等概念。同種元素的原子的電負(fù)性還與 Z/Y值和雜化軌道類(lèi)型有關(guān)。如c—H鍵的酸性由c原子按的順序增強(qiáng)。

四、鍵參數(shù)、V SEPR.理論與雜化軌道理論

鍵參數(shù)是表征化學(xué)鍵性質(zhì)的物理量，其中鍵長(zhǎng)和鍵角決定了分子的立體構(gòu)型。理論上用量子力學(xué)方法可近似計(jì)算出鍵長(zhǎng)和鍵角，而鮑林通過(guò)光譜或衍射等實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算出了一大批鍵角和鍵長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，為量子化學(xué)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。怎樣判斷分子的立體構(gòu)型呢？ 方法1：等電子原理（如CO2和NO2等）；方法2：VSEPR理論，該理論是基于分子能量應(yīng)處于最低狀態(tài)而提出；方法3：雜化軌道理論，該理論是1931年鮑林提出來(lái)的。雜化軌道理論是對(duì)VSEPt（理論的解釋。雜化軌道是能量相近的同一原子中原子軌道的線性組

合，而共價(jià)鍵是成鍵原子軌道的線性組合，分子軌道（Mo）則是整個(gè)分子中所有原子軌道的線性組合。休克爾分子軌道理論（H M O ）可描述平面結(jié)構(gòu)的堿基分子中的II電子運(yùn)動(dòng)，成為研究量子生物學(xué)的重要工具。不能深刻理解雜化軌道理論，就不能進(jìn)入有機(jī)化學(xué)世界。雜化軌道類(lèi)型有s—P雜化、s—P—d雜化、f軌道參與的雜化，等等。

五、氫鍵知識(shí)

鮑林在上世紀(jì)30年代首先闡明了氫鍵本質(zhì)，認(rèn)為氫鍵是不同于化學(xué)鍵的特殊作用力。氫鍵主要是影響物質(zhì)的物理性質(zhì)。中國(guó)化學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)控制條件下拍攝到了氫鍵和水分子 的真實(shí)照片。氫鍵這個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力很有好處，它不僅表現(xiàn)在化學(xué)中有眾多方面的應(yīng)用，在生命科學(xué)中也隨處可見(jiàn)它的應(yīng)用，如DNA的穩(wěn)定性問(wèn)題，盡管氫鍵是一種弱相互作用，但DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中無(wú)數(shù)的氫鍵，導(dǎo)致DNA分子具有很高的穩(wěn)定性，甚至在上千的古尸中，科學(xué)家們還能從中提取DNA進(jìn)行科學(xué)研究，未來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)已滅絕的動(dòng)物重返地球生命世界。正是因?yàn)闅滏I，使得常溫下水呈液態(tài)，以及冰的密度小于液態(tài)水。今天，氫鍵還在超分子化學(xué)領(lǐng)域中大顯身手，超分子化學(xué)可望在生命起源研究上發(fā)揮重大作用。鮑林還在上世紀(jì)50年代，利用氫鍵理論提出了蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)中的僅一螺旋和B一折疊結(jié)構(gòu)（選修5）。