淺談無機(jī)化學(xué)中原子結(jié)構(gòu)對(duì)化合物性質(zhì)影響

尹紅果

摘 要 在無機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中，原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，對(duì)學(xué)生認(rèn)知與理解物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，掌握相關(guān)聯(lián)物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系具有重要現(xiàn)實(shí)意義。基于此，本文以碳（C）、硅（Si）原子為例，采用對(duì)比分析法，闡明原子結(jié)構(gòu)存在的異同，并聯(lián)系一氧化碳（CO）與一氧化硅（SiO），探尋了原子結(jié)構(gòu)對(duì)化合物性質(zhì)存在的影響，以供參考。

關(guān)鍵詞 無機(jī)化學(xué) 原子結(jié)構(gòu) 化合物性質(zhì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)是無機(jī)化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中的重要組成部分，具有知識(shí)范圍涉及內(nèi)容廣、專業(yè)性知識(shí)點(diǎn)多、抽象性強(qiáng)等特點(diǎn)。這在一定程度上增加了教師教學(xué)與學(xué)生學(xué)習(xí)難度。對(duì)此，在多年教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上，從“物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)”視角出發(fā)，就原子結(jié)構(gòu)對(duì)化合物性質(zhì)的影響進(jìn)行了簡要分析，用以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)知與理解原子結(jié)構(gòu)對(duì)化合物性質(zhì)的影響，從而提升原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率。

1原子結(jié)構(gòu)——以碳（C）與硅（Si）為例

原子結(jié)構(gòu)（atomic structure）又被稱之為“原子模型”主要是指原子組成以及原子的部分搭配方式。自英國著名化學(xué)家與物理學(xué)家J.John Dalton（道爾頓）創(chuàng)立原子學(xué)說以來，關(guān)于原子及其結(jié)構(gòu)的研究得到不斷深入，出現(xiàn)中性微粒動(dòng)力子模型（1902，Philipp Edward Anton Lenard）、湯姆孫原子模型（Lord Kelvin與William Thomson）、棗糕模型（以湯姆遜為代表的物理學(xué)家們）、土星模型（1903，長岡半太郎，）、太陽系模型、波爾模型、查德威克模型等眾多原子模型。原子結(jié)構(gòu)相對(duì)較小，主要是由位于原子中心的原子核以及帶電粒子共同組成，用關(guān)系式進(jìn)行表達(dá)，構(gòu)成原子結(jié)構(gòu)的粒子數(shù)量關(guān)系式為：（1）質(zhì)量數(shù)（A）=質(zhì)子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N）；（2）質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=原子核外電子數(shù)=原子序數(shù)，值得注意的是：通常情況下，原子種類與中子存在密切關(guān)聯(lián)性，原子質(zhì)子數(shù)量與元素種類存在關(guān)聯(lián)性，原子電子數(shù)與主族元素化學(xué)性質(zhì)存在關(guān)聯(lián)性。以碳（C）原子、硅（Si）原子為例，碳原子與硅原子在元素周期表中均屬于第四主族（ⅣA）。其中碳原子的直徑約為1.40pm，電子結(jié)構(gòu)主要為“1S22S22P2”；硅原子直徑約110pm，電子結(jié)構(gòu)主要為“1S22S22P63S23P2”。由于碳原子與硅原子的原子族數(shù)都與主族原子夾的電子數(shù)相同，因此碳元素與硅元素在與其他原子向結(jié)合構(gòu)成分子時(shí)，存在一定的相似性，即成鍵形式上，都可形成如下雜化形式：SP（C≡C；Si≡Si）、SP2（C=C；Si=Si）、SP3（C—C；Si—Si）。但是由于C與Si的最外層電子數(shù)不同，因此二者也存在較為明顯的差異性。例如，位于元素周期表第三周期的Si相對(duì)于位于元素周期表第二周期的C而言，其主量子數(shù)較大，因此Si的價(jià)層電子距離原子核的距離要比C的遠(yuǎn)，階層電子受原子核的約束越小。與此同時(shí)，碳與硅的共價(jià)原子半徑、電負(fù)性（C為2.55，硅為1.90）也不同。

2原子結(jié)構(gòu)對(duì)化合物性質(zhì)的影響

就碳與硅的簡單化合物而言，即一氧化碳（CO）、一氧化硅（SiO）皆是三重鍵分子（C≡O(shè)、Si≡O(shè)）。分子結(jié)構(gòu)形成為直線形，結(jié)構(gòu)中存在一個(gè) 鍵以及兩個(gè) 鍵，其中 鍵主要碳原子或硅原子的中心原子與氧原子（O）以“首首連接”的形式構(gòu)成了一個(gè)PX軌道，碳原子或硅原子的一個(gè)單電子進(jìn)入到PX軌道與氧的一個(gè)單電子進(jìn)行配對(duì)而成；一個(gè) 鍵則是由碳原子或硅原子的一個(gè)單電子進(jìn)入到Pz軌道并與氧的一個(gè)單電子進(jìn)行配對(duì)而成；另一個(gè) 鍵則是氧原子在Py軌道形成的孤對(duì)電子進(jìn)入到碳原子或硅原子的nPy空軌道后形成的一個(gè)配位鍵。一氧化碳為中性氣體，一氧化碳分子在水中的溶解度相對(duì)較低，常存在于水煤氣中。而一氧化硅在常溫常壓下通常為黑棕色至黃土色的無定形粉末狀態(tài)，一氧化硅分子在空氣中的穩(wěn)定性相對(duì)較差，易發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化硅。追其原因，發(fā)現(xiàn)由于氧原子的電負(fù)性為3.44，因此一氧化碳的電負(fù)性差為0.89，一氧化硅的電負(fù)性差為1.54，從而使一氧化硅成鍵的極性大于一氧化碳，一氧化硅中硅與氧的自然電荷也大于一氧化碳中碳與氧的自然電荷（約0.67）。在此背景下，一氧化硅的離子鍵成分相對(duì)較大，容易使SiO形成聚合物。對(duì)CO與SiO做進(jìn)一步分析可知，一氧化碳的 軌道在C與O中所占據(jù)的比重分別為54%與48%，而一氧化硅的 軌道在O中所占據(jù)的比重要高于CO，從而導(dǎo)致SiO中的氧原子更具親和力，SiO的 鍵熱力學(xué)穩(wěn)定性要低于CO。

3結(jié)論

總而言之，在無機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)中，關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)（包括原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)）的學(xué)習(xí)占據(jù)重要比重，其目標(biāo)在于使學(xué)生認(rèn)知原子結(jié)構(gòu)，并通過原子結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)對(duì)原子核外電子運(yùn)動(dòng)情況、原子核外電子分布情況等具有一定的掌握，并在此基礎(chǔ)上對(duì)分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等知識(shí)具有了解，從而認(rèn)知物質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)反映的影響，激發(fā)物質(zhì)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)興趣，充分認(rèn)知“物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì)，物質(zhì)性質(zhì)反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)”這一理念，為后續(xù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)深入學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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