【青稞营】第 69 次微课分享
分享嘉宾：李君君（广东药科大学教师，暨南大学博士/中山大学硕士/湖南师范大学学士）
什么是化学？化学与其它学科有什么本质上的区别？
这是我每次给大学生上第一节课都会问这个问题，极少同学能很快回答上来。同学们在中学学了四年化学，却不明白用什么样的思维方式去学它！！！
化学是一门从原子、分子层次上研究物质的组成、性质及其变化规律的学科。
如果把原子、分子看作化学乐章中的音符的话，那么掌握原子结构、分子结构知识就像教你如何做出美妙的乐曲一样。
在中学，要想学好无机化学的元素化合物知识，就必须能看懂并充分利用元素周期表。可许多同学却看不懂它，究其内在原因是不了解原子结构，从而不明白元素周期表所代表的规律。这种情况就像一个学了多年钢琴的人，却不识谱一样糟糕。
图1 原子的内部结构
请看上图中原子的内部结构。原子是电中性的，它是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。原子的质量集中在原子核，而原子的体积却由电子的运动范围所决定的。原子核内部含有带正电荷的质子和不带电荷的中子，一个质子带一个正电荷，一个电子带一个负电荷。既然原子是电中性的，因此对于任何一个原子，它的质子数等于其电子数。
在化学变化中，原子核内部不变，核外的电子变化，在这些电子中，一般内层的电子不变，变化的是外层电子，有时次外层电子或倒数第三层电子也会发生变化，我们将这些参与化学反应的电子叫做该原子的价电子。
为什么这些电子会发生变化？
那么我们就来了解原子中电子的运动状态。实验证实电子的运动具有波动性，人们无法准确地同时准确测定它的位置和速度。电子的运动状态由其所在的原子轨道和电子的自旋状态决定。电子的在空间运动的区域可称之为原子轨道，不同的原子轨道其能量、形状、伸展方向不同。
由此我们将所有的原子轨道给它们命名，并按照能量由低到高排列，原子轨道能级如图2所示。
图2 原子轨道能级图
排在最下面是1s，然后是2s、2p、接着是3s、3p等等。
对于一个多电子原子来说，电子是如何分布到这些轨道里呢？它们应遵循三个原则：1.能量最低原理，2泡利不相容原理，3、洪特规则。
能量最低原理指的是电子优先占据能量低的轨道，只有当能量低的轨道排满之后，才能排能量较高的轨道。
那么一个原子轨道最多可以填充多少电子呢？人们发现一个原子轨道最多只能排2个电子，且它们的自旋方向相反，即如果排在同一轨道的一个电子采取顺时针自旋，则另一个则采取逆时针方向，这就是电子排布应遵循的第二个原理——泡利不相容原理。
除此以外，电子填充到原子轨道，还得满足洪特规则，即当电子占据几个能量相同的原子轨道（简并轨道）时，它们尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相反。
了解了以上原子结构的知识基础，我们就不难理解原子结构图中电子的分层排布了，进而就能读懂元素周期表了。
分析原子结构图
下面我们来分析原子结构图。以钠原子为例，见图3。
图3 钠原子的原子结构图
圆圈表示原子核，圈内 “ 11”表示Na 原子核中有11个带正电荷的质子，原子核中的中子由于不带电荷而不必表示出来，圆圈外的弧线表示电子层。
在中学，为了便于理解，将原子轨道按照离核远近分成几组，并将它们称之为电子层，离核最近的一组原子轨道，能量最低，叫第一电子层，能量比之稍高的称为第二电子层，由此类推。
对照原子轨道能级图2，原子轨道名称前面的整数对应原子结构图中的电子层序号，轨道前整数从1增大到7，所以我们的电子层数目前最大是7，还可以看出第一电子层只有一个1s原子轨道。根据泡利不相容原理，一个原子轨道中只能最多填充2个电子，这就解释为什么第一电子层填满只需2个电子。
原子轨道前面为2的，有1个2s轨道和3个2p轨道，所以第二电子层共有4个原子轨道，它最多能填8个电子。
因此，不难理解钠原子的原子结构图中表示电子分布在三个电子层中，其电子数分别为2，8，1。
大家可根据以上方法，对照图2的原子轨道能级图，仔细分析图4中第一到第三周期的所有元素原子的原子结构图。
图4 第一到第三周期的元素原子的原子结构图
元素周期表图5是按照元素原子的质子数大小依次排列的，即元素的序数等于该元素原子的质子数。
图5 元素周期表
周期表中元素排列成七行，即七个周期，其中第一到三周期为短周期，第四到第五为长周期。
对照原子结构图4， 我们不难发现，元素所处的第几周期与其原子的电子层数相同。如氢原子只有1个电子，只占一个电子层，它处于第一周期，而 11号钠原子的电子层数为3，所以它在第三周期。
周期表的元素排成18列，我们将同一列的元素称之为同族元素，贯穿长、短周期的元素族称为主族，后面缀以A，只有长周期的族称为副族，后面缀以B，族的序号以罗马数字表示。除了第8副族的占有3列以外，其它每一族元素只有一列。
那么为什么将这些元素列为同族呢？
还得从其原子结构找根据，对照以上原子结构图，我们发现同一主族的原子，其最外层电子数相同，电子排布十分相似，而它们由于电子层数不同，所处不同周期。
在这里，必须提示一下，对于副族元素，最外层电子数相同的元素并不一定位于同一族。
同一主族的元素，其性质十分相似。这是为什么呢？
这还得从原子结构图4中去分析，在化学反应中，对于主族元素的原子来说，其内层电子是不变的，只有最外层的电子出现得失或偏移。
那么为什么对于大部分原子来说，其最外层电子会出现得失或偏移呢？又有哪些原子的最外层电子不容易变化呢？
答案是第8主族原子，它们被称为惰性原子。我们来仔细看看这一族原子的原子结构图的特征，除了第一周期的He最外层为2个电子外，其它周期的惰性原子（如Ne、Ar、Kr、Xe）的最外层均为8个电子。
为什么这种特征的原子就会非常稳定呢？
请大家再来看看原子轨道能级图2，在能级图左侧的阿拉伯数字对应元素周期表中的周期序号，例如4这一行的轨道是第四周期的元素原子的价电子填充的轨道，它们是1个4s、3个4p和5个3d轨道，其中最外电子层的原子轨道为1个4s、3个4p轨道，充满需要8个电子。
根据电子排布的洪特规则特例，即简并原子轨道（能量相同的轨道）处于全充满或全空状态下，系统的能量较低、较稳定。这可以解释我们平常所说的8电子稳定结构。
当然，不难解释第一周期的惰性原子He只需2个电子就达到了稳定结构，因为它的最外层只有１个1s轨道，只需2个电子就填满了。其它原子也趋入达到离它们最近的惰性原子的最外层电子结构。
因此，第1-3主族的元素原子易失去它们最外层电子，而形成阳离子，表现出它们的单质具有还原性，而第5-7主族的元素的原子易得到电子，而形成阴离子，其单质表现出氧化性，处于中间的第4主族的元素原子既不易得电子，也不易失电子。
对于中学生来说，副族原子的原子结构图就更费解了。
图6 锰原子的原子结构图
例如25号Mn原子的原子结构图6，大家很难理解为什么Mn原子的第3电子层可以填13电子？而不是8个或15个电子？理解这一点，我们还得从原子轨道能级图2来分析。
遵照能量最低原理，电子从低轨道依次向能排列，当电子排满3P轨道时，接下来它们只能排第四电子层的4s轨道，4s只有一个轨道，所以只能容纳2个电子，Mn原子剩余的5个电子只能再往能量更高的轨道排，那就到了3d轨道了。3d轨道有5个轨道，有足够的空间容纳剩余的5个电子，3d轨道前面的数字是3，这个轨道就应该属于第三电子层，因此第三电层的电子数为8 5=13，就是13个电子。
至于为什么属于第三电子层3d轨道的能量反而比第四电子层4s轨道的高？由于这方面内容较深奥，在这里，我就不展开解释了。
仔细的同学会发现这种现象在能量较高的轨道很常见，如第四电子层4d轨道的能量反而比第五电子层5s轨道的高，第四电子层4f轨道的能量比第六电子层6s轨道还高。
弄清楚Mn原子的结构图中电子排布，我们来分析Mn原子的化合价为什么会有 2， 3， 4， 6， 7？
当它失去最外层电子时，表现的化合价为 2，另外，由于3d轨道能量较高，轨道没有填充满，所以3d轨道中有电子也可以参与化学反应，也是价电子，所以它的化合价还有 3， 4， 6， 7。有兴趣可以画画30号锌的原子结构图，并用以上的方法和理论解释它的化合价为什么只有一个 2。
了解了原子的结构，特别是原子核外电子的在原子轨道上的排列，我们就能看懂原子结构图，进行可以根据元素周期表分析元素原子的相似性和递变性，就能从元素周期表这个指南针来学习化学了，并以它为主干将无机元素化合物知识系统化。
分子结构与有机分子性质和空间结构的关系
组成物质的基本单位是分子，分子的性质决定于化学键、空间构型，还受氢键及分子间作用力的影响。
化学键指的是相邻原子之间强烈的静电作用力，是静电引力和静电斥力的平衡。根据成键电子的运动方式，化学键可分为离子键、金属键和共价键。
离子键指的是离子晶体中阴、阳离子之间的化学键。金属键存在于金属晶体中金属阳离子与自由电子之间。共价键指的是通过共用电子对或原子轨道重叠将成键原子结合在一起的化学键。
在电子式中，用小黑点或小叉表示分子中不同成键原子的最外层电子的分布，两原子间有几对共用电子就表示它们之间存在几个共价键。可以根据图7中的甲烷分子的电子式写出的甲烷分子结构式，但无法解释甲烷分子的正四面体空间构型。
图7 甲烷分子的电子式、结构式和空间构型
如何解释有机分子的空间构型呢？
可以用杂化轨道理论。
从前面介绍的原子轨道能级图2，我们知道处于第二周期的C原子最外层有1个2s轨道和3个2P轨道共4个原子轨道。有机分子的空间构型与其碳原子成键时采取的杂化轨道类型有关：如果C原子以1个2s轨道和3个2p轨道共4个轨道杂化，则得到 sp3杂化轨道，其4个轨道以C原子为中心指向正四面体的四个顶点，轨道之间的夹角为109.5度，其它原子沿着C原子的sp3杂化轨道的4个方向与C原子结合，形成的化学键与杂化轨道的方向一致。
甲烷、乙烷等烷烃分子中的碳链上的C原子采取sp3杂化，所以甲烷分子为正四面体构型，其它烷烃碳链上的C原也是以sp3杂化轨道的4个方向与别的原子成键。
如果C原子的1个2s轨道和2个2p轨道进行杂化，则得到sp2杂化轨道。sp2杂化轨道的3个轨道在同一平面上，它们之间的夹角为120。。这样形成的分子，其它原子与C原子在同一平面上并从三角形的顶点方向与之连结，所以我们看到的乙烯分子为平面型。
如果C的1个2s轨道和1个2p轨道进行杂化，则得到2个在一条直线上的sp杂化轨道，轨道之间的夹角为180。，乙炔分子的直线型空间构型就可以用其C原子以sp杂化轨道（见图8）。
图8 有机分子的空间构型与C原子的轨道杂化类型
其它有机分子的空间构型都可以通过分析成键的中心原子的轨道杂化类型做出合理的解释。
大家可以试着自己去解决苯分子的空间构型。
现代价键理论
接下来我们用现代价键理论解释为什么像乙烯、乙炔中的碳碳双键、叁键在化学反应易部分断裂，发生加成反应。
根据现代价键理论，原子通过原子轨道相互重叠成键，重叠越多，键越牢固。
共价键从原子轨道重叠的方式可分为δ键和Π键。δ键是以原子轨道“头碰头”方式重叠形成的，Π键则是以原子轨道“肩并肩”方式重叠形成的，δ键中轨道重叠更多，所以δ键比Π键更牢固。
在2个原子之间形成共价键时，优先形成δ键，所有的单键均为δ键。一旦2个原子之间已有一个δ键之后，它们之间再形成共价键的话，就只能是Π键，只要条件允许，2个原子之间可以有1个、2个或甚至更多的Π键。
从图8可以看出乙烷、乙烯、乙炔中均有一个δ键，但乙烯中还有1个Π键，乙炔中还有两个Π键。乙烯、乙炔发生加成反应时，断的就是Π键，它们的δ键保持不变。大家试着用以上的思路去分析其它有机分子的化学性质。
大家知道烃类难溶于水，而短链的醇、酸、胺均易溶于水，其原因可用氢键来解释。
氢键不是化学键，它的能量介于化学键与分子间作用力之间。氢键主要指是H氢子与F 、O、N等原子之间的较强的静电作用力。它可分为分子间氢键和分子内氢键，请见图9。
图 9 氢键的类型
短链的醇、酸、胺分子中含有O或N，它们可以与水分子O、H相互形成氢键，从而增加了溶质分子与水的结合力，从而使这类物质在水中的溶解度增大。
氢键还会影响物质的溶、沸点：分子间氢键使物质的溶、沸点升高，分子内氢键使分子的分支减少，从而减小了分子间的作用力，从而导致物质的溶、沸点降低。
氢键对生机大分子的空间构型影响十分明显。如图10 DNA分子中两条链结合成双螺旋结构主要靠氢键。
图10 DNA双螺旋结构中的氢键示意图
以上就是跟大家分享的用原子结构、分子结构解释中学化学遇到的一些瓶颈问题，大家在以后的学习中学会养成用原子结构、分子结构分析物质的性质、变化及其规律，将会达到事倍功半的效果。
原子结构、分子结构不仅是学习化学的基础知识，而且此领域的研究一直领导科学最前沿的部分。
从1901年诺贝尔奖颁发以来，与原子结构、分子结构相关的研究囊括了89项物理、化学诺贝尔奖，超过这两项总奖数的1/3，接近1/2，其中华人诺贝尔奖得主杨振宁、李政道、丁肇中和朱棣文均以此领域的贡献而获奖。
最让人兴奋的是2016年诺贝尔化学奖颁给了制造“分子机器”的三位科学家，他们成功地设计和合成了分子机器，可以将分子设计各种形状、分子电梯、微型肌肉、微型芯片和分子马达。
图11 2016年诺贝尔化学奖三位科学家和他们设计的分子机器
最后让我们在北京大学原校长周其凤教授的《化学是我，化学是你》的激情中结束本次讲课，祝所有听众，立根原子结构、分子结构，养成原子、分子层次上学习化学的思维习惯。
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