化学键是如何“给力”的? 如何判断化学键类型

化学键是如何“给力”的?

宇宙存在四种作用力:电磁力、强力、弱力和万有引力,物理学家相信,这四种力在宇宙初期是同一种力,所以可以用同一套理论来描述。

有人用水波来形象的说明这四种力的关系:

在一池平静的水塘里扔下一个石头,水中最先形成的小范围水波的力是最强的,这就如同强力和弱力,是核物理研究领域的范畴;接着形成比较强的中水波,这就如同电磁力;最后各个水波因力的互相拉扯,形成了一个最大的水波,但这个水波却是最弱的,此即相当于万有引力。

经典物理学以及化学研究中的力应该当属于电磁力层次了。

因为对电磁力观察的角度及研究的方向不同,“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,于是又有了力学与化学的分野。

物理中的力,如弹力、拉力、推力、支持力本质上都是电磁力,是微观电磁力的总和,用于宏观物体运动的研究,这里不表。化学力是从力的源头上去研究,微观地分析力的相互作用及存在形式。

化学上为了区别物理力理解的干扰,就把化学力改名为“化学键”,这虽是进了一步,但就科学了吗?

化学键是如何“给力”的? 如何判断化学键类型

且看“力”与“化学键”的定义:

“力” 物理学上是指“物体之间相互作用”;“化学键”是指“相邻原子之间的强烈力的作用”。

化学老师经常扣住字眼,说化学键不是力,是力的作用。岂不知,物理学上也把“力”当成一种“作用”了,这化学键也就成了“作用”的“作用”了,这种“作用”的重叠定义显然不够科学,但如果直接把“化学键”称作为“化学力”,物理老师就要向化学老师讨教化学中的“力”有“力的大小、方向、作用点”三要素吗?

我这样咬文嚼字也是源于汉字“力”的多义,如果用英文表示就可能少了一些歧义,现行经典力学所说的力应该是“force”,而化学中的力更倾向于用“strength”来表达,前者的力偏于机械运动所施的“外力”,而后者蕴含有物质内部所蓄藏的“内力”、“源力”。这如同高山上的一个水库,其静止状态,我们看不出水库的水有多大的力道(如同内力),如果向山下倾泄下去,就产生排山倒海之势了(如同外力)。一个静若处子,一个动如脱兔。

物理的外力倾向于“动”,化学浑厚的内力倾向于“静”,所以化学弃用动态的“力”来表达化学键,这个“键”字本身就是一个安静的名词,英文叫“bond”,即有形的“门闩”,用来表示靠“力”的“连接”之意,是“实而又虚”的一种形态存在。

所以化学键最好的定义,我认为应该简洁的称为:带电粒子间强烈相互作用的形态

在这个定义里,我把“相邻原子间”换为“带电粒子间”更有普遍意义。教材中的化学键定义好像是为共价键而量身定做的,对于离子键和金属键似有力所不逮之嫌。下面我们就将三种化学键逐一析之:

离子键是阴阳离子之间的强烈静电作用。什么叫强烈作用呢?用数字说话就是键能值在几百千卡/摩,如果不上一百千卡/摩的值,就称不上化学键。在这里也可以去掉“相邻”二字,是因为离子键的本质是库仑力,根据库仑定律:F=q1*q2/r2可以推知:离子间距离越远,库仑力越小,小到一定程度就不是强烈作用了,如果用相间的离子电荷值和距离值代入公式计算,数值不会越过一百千卡/摩,也即不是化学键了。

共价键的本质在于通过共用电子对成键原子的原子核的引力,而将两个或多个带正电的核相互“连接”在一起。更准确地说,共用电子虽然在两核的周围任何地方都可能出现,但出现在两核的中间区域的概率较大。这样两个核就通过电子的纽带被结合在一起,有效降低核间的静电斥力,形成稳定的物质形态。

教材中的化学键定义不能涵盖金属键的实际情况,是因为金属键不是作用于相邻的微粒之间的力。金属中电子是自由的,并不局限在某一原子核的周围运动,但电子和核之间依然可看成是带电粒子间强烈相互作用的形态。是一种流动的带负电荷的集体对一群不断变换的金属阳离子群之间的强烈电性作用。在这里,从金属晶体的宏观角度来说可能称为电场力更恰当一些,但本质上是与库伦力一样的,只是库伦力是从微观角度上来说的,电场可以看成许多电荷组成的。

从离子键、共价键、金属键分析中可以看出,这三种键没有本质的差别,都是带电粒子间强烈的相互作用,差别的只是电性微粒间作用形式有别,表现的形态不同而已。

本文没有持磁键以及分子轨道等观点分析化学键。只是站在中学化学的立场上,在“八隅体”理论底座上谈点个人肤浅的认识,其目的是想对中学化学键的定义有个改进。在此还希望大家不吝赐教。

  

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