淺談物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論

秦卓凡

【摘要】以當(dāng)今中國化學(xué)家的最新科研成果為愛國教育素材，以問題為中心，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)今中國化學(xué)家的最新科研成果為愛國教育素材；以問題為中心，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)和相對論的正確性卻不斷被證實。“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論”（玻爾）。量子力學(xué)已將世界帶入量子計算機時代。量子化學(xué)處理問題時，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獲得諾貝爾獎的科學(xué)家，也是人類有史以來20位最杰出的科學(xué)家之一。他根據(jù)光譜實驗結(jié)果提出了構(gòu)造原理。

三、關(guān)于電負(fù)性概念

借用拔河來比喻成鍵兩原子對共用電子對的吸引，自然引入電負(fù)性這個物理量。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)已能較精確的計算每個原子的帶電荷量，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。鮑林用了一個極簡單的電負(fù)性概念代替了復(fù)雜的量子力學(xué)計算，其大道至簡的科學(xué)思想為化學(xué)家所稱道。自從鮑林提出了電負(fù)性概念后，引來全世界許多化學(xué)家對其進(jìn)行研討。主要集中在兩方面，第一，關(guān)于電負(fù)性的標(biāo)度問題，提出了許多計算電負(fù)性值的公式，如中國著名量子化學(xué)家溫元凱教授（鮑林的學(xué)生）提出的公式。有人用量子化學(xué)方法計算分子中的電子密度來定量表示電負(fù)性大小，因為分子中電子云密度由分子軌道中的值確定。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值和雜化軌道類型有關(guān)。如c—H鍵的酸性由c原子按的順序增強。

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)方法可近似計算出鍵長和鍵角，而鮑林通過光譜或衍射等實驗測定和計算出了一大批鍵角和鍵長的數(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年鮑林提出來的。雜化軌道理論是對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，而共價鍵是成鍵原子軌道的線性組合，分子軌道（Mo）則是整個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電子運動，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)入有機化學(xué)世界。雜化軌道類型有s—P雜化、s—P—d雜化、f軌道參與的雜化，等等。

五、氫鍵知識

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)。中國化學(xué)家首次在實驗控制條件下拍攝到了氫鍵和水分子 的真實照片。氫鍵這個知識點對培養(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)中也隨處可見它的應(yīng)用，如DNA的穩(wěn)定性問題，盡管氫鍵是一種弱相互作用，但DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中無數(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，未來有可能實現(xiàn)已滅絕的動物重返地球生命世界。正是因為氫鍵，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)二級結(jié)構(gòu)中的僅一螺旋和B一折疊結(jié)構(gòu)（選修5）。