探索化學(xué)元素核外電子排布規(guī)律

方瑞士

蕪湖市第四人民醫(yī)院 安徽 蕪湖 241002

1 引言

原子與原子之間究竟以什么方式構(gòu)成分子?首先要解決的是電子在原子核外是以什么方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?為了解決這個(gè)問(wèn)題,人們企圖通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)達(dá)到這一目的,并且以波動(dòng)方程式算出氫原子核外不同能級(jí)的電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度,再把出現(xiàn)幾率密度最高的部分所呈現(xiàn)的形態(tài)當(dāng)作該能級(jí)電子的電子云形態(tài)。如氫的1S電子云是球形,2P電子云是雙球形,3d電子云是四瓣梅花形等。但是,在多電子的原子中,由于電子之間相互影響,使計(jì)算變得異常繁雜而無(wú)從下手。于是,人們干脆把已經(jīng)計(jì)算出來(lái)的氫的不同能級(jí)的電子云形態(tài)機(jī)械地搬到多電子原子中去,并以此去解釋有機(jī)化學(xué)中的各種分子結(jié)構(gòu)。須知,恰恰是這種機(jī)械思維方式,忽略了電子與電子之間最重要、最直接的相斥作用,阻礙了化學(xué)分子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展.

化學(xué)理論落后于實(shí)踐,這是公認(rèn)的事實(shí)。無(wú)機(jī)化學(xué)中的電子配對(duì)成鍵,這種假說(shuō)違反了電子繞核運(yùn)動(dòng)規(guī)則;有機(jī)化學(xué)中的電子云重疊成鍵,這種假說(shuō)違反了電子相斥原理。另外,碳原子在無(wú)機(jī)化學(xué)中以電子配對(duì)成鍵,在有機(jī)化學(xué)中,又說(shuō)它是以電子云重疊成鍵,相互矛盾,不能自圓其說(shuō)。所以,它們都不可能真正解決分子結(jié)構(gòu)問(wèn)題。

原子波環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)套環(huán)成鍵既不違反電子繞核運(yùn)動(dòng)規(guī)則,也不違反電子相斥原理。所以,它能完美地解釋各種分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)。本文對(duì)化學(xué)元素核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及分子成鍵的機(jī)理進(jìn)行深入探索。并且,按照斥力最小原理,推導(dǎo)出化學(xué)元素核外電子的排布規(guī)則。

2 氫原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

日常生活中,當(dāng)一個(gè)紅色質(zhì)點(diǎn)作快速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),我們看到一個(gè)紅色圓環(huán)。所以,在氫原子中,當(dāng)單個(gè)電子超速繞核旋轉(zhuǎn)時(shí),由于電子軌道的角度和方向不斷變化,在核外形成無(wú)數(shù)環(huán)。同時(shí),因?yàn)殡娮泳哂胁ǖ奶匦?所以,這些環(huán)的大小、形態(tài)也不斷變化?？傊?無(wú)論它形成多少環(huán),無(wú)論它的大小形態(tài)如何變化,皆由一環(huán)演變而來(lái)。在無(wú)數(shù)波環(huán)之間相互交叉重疊的密集區(qū)便是現(xiàn)代化學(xué)中所說(shuō)的電子云。如,氫的1s,2p,3d電子云

當(dāng)單個(gè)電子在同一個(gè)平面內(nèi),同一個(gè)能量層中高速進(jìn)行無(wú)數(shù)次繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)形成無(wú)數(shù)環(huán),無(wú)數(shù)環(huán)相互疊加所展現(xiàn)的結(jié)果是一個(gè)致密的電子環(huán),而絕不是什么球形、雙球形之類(lèi)。所以那種把氫的1S,2p,3d電子云形態(tài)簡(jiǎn)單的機(jī)械地搬到多電子原子中去的做法是極其錯(cuò)誤的,氫的1s,2p,3d電子云只能在孤立的氫原子中存在。

3 多電子原子核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

在多電子原子中,電子如何運(yùn)動(dòng)呢?同一能級(jí)的兩個(gè)電子在相互貼近且相互平行的兩個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的斥力最大,而在相互垂直相交的兩個(gè)平面內(nèi)繞核運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的斥力最小。所以,按照斥力最小原理,氦原子核外的兩個(gè)電子是在垂直相交的兩個(gè)平面內(nèi)進(jìn)行繞核運(yùn)動(dòng)。

核磁共振的成功實(shí)現(xiàn)已經(jīng)證明在化合物中的氫原子是一個(gè)小磁體,或者說(shuō),在氫核的周?chē)且粋€(gè)環(huán)形電子流,而不是球形電子云。因?yàn)殡娮泳哂胁ǖ奶匦?所以我們把這種環(huán)形電子流叫做電子波環(huán),或簡(jiǎn)稱(chēng)為波環(huán)。當(dāng)有3,4,5,6,7,8個(gè)電子波環(huán)相交時(shí),為保持各波環(huán)之間斥力相等,每?jī)蓚€(gè)相鄰波環(huán)之間的夾角分別為60、45、36、30、2⒌7、22。5度。

“路易斯結(jié)構(gòu)”的八偶律與原子直徑大小無(wú)關(guān),與電子之間的角度有關(guān)。這里,已經(jīng)披露原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的存在,換句話說(shuō),每?jī)蓚€(gè)相鄰波環(huán)之間的角度不小于22。50.

硼 碳 氖

上面的分析表明,在多電子原子中,它的電子云也是環(huán)形,而不是球形和啞鈴形。也就是說(shuō),其電子也以波環(huán)的形式存在。關(guān)于共價(jià)鍵化合物的成鍵,首先,以氫原子為例,當(dāng)兩個(gè)氫原子結(jié)合成分子時(shí),無(wú)數(shù)波環(huán)與無(wú)數(shù)波環(huán)之間發(fā)生交鎖形成一個(gè)穩(wěn)固的分子,即環(huán)套環(huán)成鍵 。相互交鎖后,波環(huán)的運(yùn)動(dòng)范圍受到限制,氫的電子云已不是球形。若一環(huán)不動(dòng),另一環(huán)只能繞該環(huán)運(yùn)動(dòng)。換言之,兩波環(huán)相交鎖,兩個(gè)半球殼之間的波環(huán)運(yùn)動(dòng)幾率密度增加。但是,它與電子云重疊成鍵在本質(zhì)上是不同的。

4 共價(jià)鍵和離子鍵的波環(huán)結(jié)構(gòu)式

4.1 氫分子的波環(huán)結(jié)構(gòu)式

為了描述的方便,將無(wú)數(shù)環(huán)簡(jiǎn)化為一環(huán),用符號(hào)“-R-”或“R-”代表波環(huán),“R”代表元素。用符號(hào)“×”代表波環(huán)交鎖（環(huán)套環(huán)）,即共價(jià)鍵。用符號(hào)“R→”代表波環(huán)嵌入（離子鍵）。氫分子波環(huán)結(jié)構(gòu)式展示如下:

氫簡(jiǎn)化式 氫分子式

4.2 碳、甲烷和甲醇的波環(huán)結(jié)構(gòu)式,（省去碳的符號(hào)”c”.）

4.3 甲烷波環(huán)結(jié)構(gòu)式分析

分析甲烷的正四面體結(jié)構(gòu)。甲烷由一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子交鎖而成,我們知道,碳原子外層有4個(gè)電子,即4

個(gè)電子波環(huán)。按照波環(huán)之間斥力均衡的原則,碳的4個(gè)波環(huán)將球殼分為8等份,相鄰波環(huán)之間的夾角為450。因?yàn)槭?個(gè)波環(huán),所以,碳原子本身不能形成正四面體結(jié)構(gòu).當(dāng)碳原子與4

個(gè)氫原子相交鎖時(shí),4

個(gè)氫原子之間為了保持斥力相等,必須保持距離相等.。另一方面,它們各自與碳核之間的距離也是相等的。換言之,4個(gè)氫原子波環(huán)與碳原子交鎖時(shí),既要保持相互之間的距離相等,也要保持與碳核之間的距離相等,為滿足這些條件,它們與碳原子鎖定的位置只能是正四面體的4個(gè)頂點(diǎn)。

4.4 苯波環(huán)結(jié)構(gòu)式分析

關(guān)于苯分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),用波環(huán)結(jié)構(gòu)式也能作出令人滿意的解釋。苯由6個(gè)碳原子和6個(gè)氫原子相交鎖而成。每個(gè)碳原子只有1個(gè)波環(huán)與氫相交鎖,剩下3個(gè)波環(huán)則碳碳相互交鎖成環(huán)。

苯波環(huán)斷成直鏈型 苯波環(huán)分子式

苯波環(huán)交鎖框架 苯的簡(jiǎn)化式

在苯環(huán)中,碳原子位于6邊形各邊的中央,并不位于6個(gè)角的頂點(diǎn)。碳碳之間各以3個(gè)波環(huán)相互交鎖,并不存在單鍵與雙鍵。而且,這3個(gè)波環(huán)的兩端都與相鄰碳原子相交鎖,所以,苯環(huán)是非常穩(wěn)定的,不易被斷開(kāi)。

5 按照斥力最小原理,推理分析化學(xué)元素ZXY軸電子排布規(guī)則

5.1 原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的Z軸

氦原子的兩個(gè)波環(huán)垂直相交,它的兩個(gè)相交點(diǎn)便構(gòu)成了氦原子的兩極,即z軸.

5.2 原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的X軸

對(duì)于氖原子來(lái)說(shuō),它內(nèi)層的兩個(gè)波環(huán)也是垂直相交的,也有它的兩極,而它外層的8個(gè)波環(huán)也相交于兩極。顯然,按照斥力最小原理,內(nèi)層波環(huán)的兩極不能與外層8個(gè)波環(huán)的兩極相重疊,假設(shè)內(nèi)層2個(gè)波環(huán)相交于Z軸,那么,外層的8個(gè)波環(huán)只能相交于X軸

5.3 原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的Y軸

氬原子位于第三周期,多一個(gè)M層,M層的8個(gè)波環(huán)只能相交于Y軸。

5.6 化學(xué)元素各周期軸電子排布情況

從氬原子各軸層波環(huán)的相交方式可以推測(cè)出原子核外電子填充的基本規(guī)律,即Z軸電子層最多只能填充2個(gè)電子,如果前一個(gè)主電子層填滿Z軸,那么,后一個(gè)主電子層便從X軸開(kāi)始填充電子,如果X軸也被填滿8個(gè)電子,那么,便從Y軸開(kāi)始填充電子。如果Z、X、Y軸都被填滿,便又從Z軸開(kāi)始,如此循環(huán)往復(fù),原子就是這樣不斷地層層加固它的網(wǎng)狀電子球殼。下面,列出化學(xué)元素各周期的軸電子排布情況:

第一周期:K層z2

第二周期:K層z2,L層x8

第三周期:K層z2,L層x8,M層y8

第四周期:K層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8

第五周期:K層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…z2…x8,O層y8

第六周期k層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…x8…y8…x8,O層y8…z2…x8,P層y8

第七周期:k層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…x8…y8…x8,O層y8…x8…y8…x8…y8…z2…x8,P層y8…z2…x8,Q層y8

7.各周期化學(xué)元素最外軸層的電子數(shù)

下面,按照原子核最外軸電子層的電子數(shù)為序,將化學(xué)元素各周期的軸電子數(shù)排布情況展示如下:

第一周期:K層Z軸,H 1,He 2

第二周期:L層X(jué)軸,Li 1,Be 2,B 3,C 4,N 5,O 6,F 7,Ne 8

第三周期:M層Y軸,Na 1,Mg 2,Al 3,Si 4,P 5,S 6,Cl 7,Ar 8

第四周期:M層Z軸,K 1,Ca 2,

M層X(jué)軸,Sc 1,Ti 2,V 3,Cr 4,Mn 5,Fe 6,Co 7,Ni 8

N層Y軸,Cu 1,Zn 2,Ga 3,Ge 4,As 5,Se 6,Br 7,Kr 8

第五周期:N層Z軸,Rb 1,Sr 2

N層X(jué)軸,Y 1,Zr 2,Nb 3,Mo 4,Te 5,Ru 6,Rh 7,Pd 8

O層Y軸,Ag 1,Cd 2,In 3,Sn 4,Sb 5,Te 6,I 7,Xe 8

第六周期:N層Z軸,（無(wú)）

N層X(jué)軸,（Cs 1）（Cs 2）（Cs 3）,Ba 4,La 5,Ce 6,Pr 7,Nd 8,

O層Y軸,Pm 1,Sm 2,Eu 3,Gd 4,Tb 5,Dy 6,Ho 7,Er 8,

O層Z軸,Tm 1,Yb 2

O層X(jué)軸,Lu 1,Hf 2,Ta 3,W 4,Re 5,Os 6,Ir 7,Pt 8

P層Y軸,Au 1,Hg 2,Tl 3,Pb 4,Bi 5,Po 6,At 7,Rn 8

第七周期:O層Z軸,（無(wú)）

O層X(jué)軸,（Fr 1）（Fr 2）（Fr 3）,Ra 4,Ac 5,Th 6,Pa 7,U 8

O層Y軸,Np 1,Pu 2,Am 3,Cm 4,Bk 5,Cf 6,Es 7,Fm 8

O層Z軸,Md 1,No 2

O層X(jué)軸,Lr 1,Rf2,Db 3,Sg 4,Bh5,Hs 6,Mt7,Ds 8

P層Y軸,Rg1,Cn2,Uut3,Uug4,Uup5,Uuh6,Uus7,Uuo8

P層Z軸,（缺1—2）

P層X(jué)軸,（缺1—8）

Q層Y軸,（缺1—8）

第七周期各主電子層的軸電子排布是K 2,L 8,M18,N 32,O 50,P 18,Q 8;可以看出,第七周期的p主電子層的Z和X軸都是空的,Q層的Y軸也是空的,或者說(shuō),還有Z,X,Y共3個(gè)軸層的元素是空的,總共有18個(gè)元素有待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)或人工合成。其中,第六、七周期的N層只有32個(gè)電子,按八偶律規(guī)則,只能安排兩個(gè)X軸層和兩個(gè)Y軸層,故各少一個(gè)Z軸層。同理,第七周期的O層也少一個(gè)Z軸層,恰好論證了鑭系和錒系元素的直徑縮小的真正原因。而那種把鑭系和錒系元素提取出來(lái)單獨(dú)排列的做法也是不妥的.從上面的排布規(guī)律來(lái)看,除了第一周期的Z軸層以外,其余各周期均能以X軸層或Y軸層的8個(gè)波環(huán)結(jié)束。各周期元素的數(shù)目之所以呈現(xiàn)出2,8,8,18,18…..這樣的規(guī)律,就是因?yàn)樗鼈兪前凑語(yǔ),X,Y軸層循環(huán)排布的結(jié)果。這也是證明原子波環(huán)結(jié)構(gòu)正確性的重要證據(jù)之一。

7.總結(jié)與展望

本文以核磁共振的成功實(shí)現(xiàn),證明氫在化合物中是一個(gè)小磁體,它的核外電子云是環(huán)形,而不是球形.并以斥力最小原理推導(dǎo)出多電子原子的核外電子云也是環(huán)形,而不是球形和亞鈴形,論證了原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的存在。同時(shí),指出<路易斯結(jié)構(gòu)>的八偶律與原子直徑大小無(wú)關(guān),而與電子之間的角度有關(guān),進(jìn)一步證明了原子波環(huán)結(jié)構(gòu)的存在。由原子的波環(huán)結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出化學(xué)元素核外電子的排布規(guī)律,指出還有18個(gè)元素有待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)或人工合成.并制作完成<化學(xué)元素ZXY軸電子排布表>.這一探索是初步的,還有待人們進(jìn)一步分析和研究.