淺談無機化學中原子結構對化合物性質影響

尹紅果

摘 要 在無機化學學習中，原子結構與分子結構是重點也是難點，對學生認知與理解物質化學性質，掌握相關聯物質化學性質之間的關系具有重要現實意義。基于此，本文以碳（C）、硅（Si）原子為例，采用對比分析法，闡明原子結構存在的異同，并聯系一氧化碳（CO）與一氧化硅（SiO），探尋了原子結構對化合物性質存在的影響，以供參考。

關鍵詞 無機化學 原子結構 化合物性質

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

0引言

原子結構與分子結構是無機化學物質結構教學中的重要組成部分，具有知識范圍涉及內容廣、專業性知識點多、抽象性強等特點。這在一定程度上增加了教師教學與學生學習難度。對此，在多年教學與實踐經驗總結上，從“物質結構決定物質性質，物質性質反映物質結構”視角出發，就原子結構對化合物性質的影響進行了簡要分析，用以促進學生進一步認知與理解原子結構對化合物性質的影響，從而提升原子結構與分子結構學習質量與效率。

1原子結構——以碳（C）與硅（Si）為例

原子結構（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。自英國著名化學家與物理學家J.John Dalton（道爾頓）創立原子學說以來，關于原子及其結構的研究得到不斷深入，出現中性微粒動力子模型（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。原子結構相對較小，主要是由位于原子中心的原子核以及帶電粒子共同組成，用關系式進行表達，構成原子結構的粒子數量關系式為：（1）質量數（A）=質子數（Z）+中子數（N）；（2）質子數=核電荷數=原子核外電子數=原子序數，值得注意的是：通常情況下，原子種類與中子存在密切關聯性，原子質子數量與元素種類存在關聯性，原子電子數與主族元素化學性質存在關聯性。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，電子結構主要為“1S22S22P2”；硅原子直徑約110pm，電子結構主要為“1S22S22P63S23P2”。由于碳原子與硅原子的原子族數都與主族原子夾的電子數相同，因此碳元素與硅元素在與其他原子向結合構成分子時，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相對于位于元素周期表第二周期的C而言，其主量子數較大，因此Si的價層電子距離原子核的距離要比C的遠，階層電子受原子核的約束越小。與此同時，碳與硅的共價原子半徑、電負性（C為2.55，硅為1.90）也不同。

2原子結構對化合物性質的影響

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、Si≡O）。分子結構形成為直線形，結構中存在一個 鍵以及兩個 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”的形式構成了一個PX軌道，碳原子或硅原子的一個單電子進入到PX軌道與氧的一個單電子進行配對而成；一個 鍵則是由碳原子或硅原子的一個單電子進入到Pz軌道并與氧的一個單電子進行配對而成；另一個 鍵則是氧原子在Py軌道形成的孤對電子進入到碳原子或硅原子的nPy空軌道后形成的一個配位鍵。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，一氧化硅分子在空氣中的穩定性相對較差，易發生氧化反應生成二氧化硅。追其原因，發現由于氧原子的電負性為3.44，因此一氧化碳的電負性差為0.89，一氧化硅的電負性差為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較大，容易使SiO形成聚合物。對CO與SiO做進一步分析可知，一氧化碳的 軌道在C與O中所占據的比重分別為54%與48%，而一氧化硅的 軌道在O中所占據的比重要高于CO，從而導致SiO中的氧原子更具親和力，SiO的 鍵熱力學穩定性要低于CO。

3結論

總而言之，在無機化學學習中，關于物質結構（包括原子結構與分子結構）的學習占據重要比重，其目標在于使學生認知原子結構，并通過原子結構學習對原子核外電子運動情況、原子核外電子分布情況等具有一定的掌握，并在此基礎上對分子結構、化學鍵等知識具有了解，從而認知物質結構對物質性質、物質反映的影響，激發物質結構學習興趣，充分認知“物質結構決定物質性質，物質性質反映物質結構”這一理念，為后續物質結構知識深入學習奠定良好基礎。

參考文獻

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