探索化學元素核外電子排布規(guī)律

方瑞士

蕪湖市第四人民醫(yī)院 安徽 蕪湖 241002

1 引言

原子與原子之間究竟以什么方式構成分子?首先要解決的是電子在原子核外是以什么方式進行運動?為了解決這個問題,人們企圖通過數(shù)學運算來達到這一目的,并且以波動方程式算出氫原子核外不同能級的電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度,再把出現(xiàn)幾率密度最高的部分所呈現(xiàn)的形態(tài)當作該能級電子的電子云形態(tài)。如氫的1S電子云是球形,2P電子云是雙球形,3d電子云是四瓣梅花形等。但是,在多電子的原子中,由于電子之間相互影響,使計算變得異常繁雜而無從下手。于是,人們干脆把已經計算出來的氫的不同能級的電子云形態(tài)機械地搬到多電子原子中去,并以此去解釋有機化學中的各種分子結構。須知,恰恰是這種機械思維方式,忽略了電子與電子之間最重要、最直接的相斥作用,阻礙了化學分子結構理論的發(fā)展.

化學理論落后于實踐,這是公認的事實。無機化學中的電子配對成鍵,這種假說違反了電子繞核運動規(guī)則;有機化學中的電子云重疊成鍵,這種假說違反了電子相斥原理。另外,碳原子在無機化學中以電子配對成鍵,在有機化學中,又說它是以電子云重疊成鍵,相互矛盾,不能自圓其說。所以,它們都不可能真正解決分子結構問題。

原子波環(huán)結構中的環(huán)套環(huán)成鍵既不違反電子繞核運動規(guī)則,也不違反電子相斥原理。所以,它能完美地解釋各種分子結構和化學反應。本文對化學元素核外電子的運動狀態(tài)及分子成鍵的機理進行深入探索。并且,按照斥力最小原理,推導出化學元素核外電子的排布規(guī)則。

2 氫原子核外電子運動狀態(tài)分析

日常生活中,當一個紅色質點作快速圓周運動時,我們看到一個紅色圓環(huán)。所以,在氫原子中,當單個電子超速繞核旋轉時,由于電子軌道的角度和方向不斷變化,在核外形成無數(shù)環(huán)。同時,因為電子具有波的特性,所以,這些環(huán)的大小、形態(tài)也不斷變化。總之,無論它形成多少環(huán),無論它的大小形態(tài)如何變化,皆由一環(huán)演變而來。在無數(shù)波環(huán)之間相互交叉重疊的密集區(qū)便是現(xiàn)代化學中所說的電子云。如,氫的1s,2p,3d電子云

當單個電子在同一個平面內,同一個能量層中高速進行無數(shù)次繞核運動時形成無數(shù)環(huán),無數(shù)環(huán)相互疊加所展現(xiàn)的結果是一個致密的電子環(huán),而絕不是什么球形、雙球形之類。所以那種把氫的1S,2p,3d電子云形態(tài)簡單的機械地搬到多電子原子中去的做法是極其錯誤的,氫的1s,2p,3d電子云只能在孤立的氫原子中存在。

3 多電子原子核外電子運動狀態(tài)分析

在多電子原子中,電子如何運動呢?同一能級的兩個電子在相互貼近且相互平行的兩個平面內進行繞核運動時所產生的斥力最大,而在相互垂直相交的兩個平面內繞核運動所產生的斥力最小。所以,按照斥力最小原理,氦原子核外的兩個電子是在垂直相交的兩個平面內進行繞核運動。

核磁共振的成功實現(xiàn)已經證明在化合物中的氫原子是一個小磁體,或者說,在氫核的周圍是一個環(huán)形電子流,而不是球形電子云。因為電子具有波的特性,所以我們把這種環(huán)形電子流叫做電子波環(huán),或簡稱為波環(huán)。當有3,4,5,6,7,8個電子波環(huán)相交時,為保持各波環(huán)之間斥力相等,每兩個相鄰波環(huán)之間的夾角分別為60、45、36、30、2⒌7、22。5度。

“路易斯結構”的八偶律與原子直徑大小無關,與電子之間的角度有關。這里,已經披露原子波環(huán)結構的存在,換句話說,每兩個相鄰波環(huán)之間的角度不小于22。50.

硼 碳 氖

上面的分析表明,在多電子原子中,它的電子云也是環(huán)形,而不是球形和啞鈴形。也就是說,其電子也以波環(huán)的形式存在。關于共價鍵化合物的成鍵,首先,以氫原子為例,當兩個氫原子結合成分子時,無數(shù)波環(huán)與無數(shù)波環(huán)之間發(fā)生交鎖形成一個穩(wěn)固的分子,即環(huán)套環(huán)成鍵 。相互交鎖后,波環(huán)的運動范圍受到限制,氫的電子云已不是球形。若一環(huán)不動,另一環(huán)只能繞該環(huán)運動。換言之,兩波環(huán)相交鎖,兩個半球殼之間的波環(huán)運動幾率密度增加。但是,它與電子云重疊成鍵在本質上是不同的。

4 共價鍵和離子鍵的波環(huán)結構式

4.1 氫分子的波環(huán)結構式

為了描述的方便,將無數(shù)環(huán)簡化為一環(huán),用符號“-R-”或“R-”代表波環(huán),“R”代表元素。用符號“×”代表波環(huán)交鎖（環(huán)套環(huán)）,即共價鍵。用符號“R→”代表波環(huán)嵌入（離子鍵）。氫分子波環(huán)結構式展示如下:

氫簡化式 氫分子式

4.2 碳、甲烷和甲醇的波環(huán)結構式,（省去碳的符號”c”.）

4.3 甲烷波環(huán)結構式分析

分析甲烷的正四面體結構。甲烷由一個碳原子和四個氫原子交鎖而成,我們知道,碳原子外層有4個電子,即4

個電子波環(huán)。按照波環(huán)之間斥力均衡的原則,碳的4個波環(huán)將球殼分為8等份,相鄰波環(huán)之間的夾角為450。因為是4個波環(huán),所以,碳原子本身不能形成正四面體結構.當碳原子與4

個氫原子相交鎖時,4

個氫原子之間為了保持斥力相等,必須保持距離相等.。另一方面,它們各自與碳核之間的距離也是相等的。換言之,4個氫原子波環(huán)與碳原子交鎖時,既要保持相互之間的距離相等,也要保持與碳核之間的距離相等,為滿足這些條件,它們與碳原子鎖定的位置只能是正四面體的4個頂點。

4.4 苯波環(huán)結構式分析

關于苯分子的穩(wěn)定結構,用波環(huán)結構式也能作出令人滿意的解釋。苯由6個碳原子和6個氫原子相交鎖而成。每個碳原子只有1個波環(huán)與氫相交鎖,剩下3個波環(huán)則碳碳相互交鎖成環(huán)。

苯波環(huán)斷成直鏈型 苯波環(huán)分子式

苯波環(huán)交鎖框架 苯的簡化式

在苯環(huán)中,碳原子位于6邊形各邊的中央,并不位于6個角的頂點。碳碳之間各以3個波環(huán)相互交鎖,并不存在單鍵與雙鍵。而且,這3個波環(huán)的兩端都與相鄰碳原子相交鎖,所以,苯環(huán)是非常穩(wěn)定的,不易被斷開。

5 按照斥力最小原理,推理分析化學元素ZXY軸電子排布規(guī)則

5.1 原子波環(huán)結構的Z軸

氦原子的兩個波環(huán)垂直相交,它的兩個相交點便構成了氦原子的兩極,即z軸.

5.2 原子波環(huán)結構的X軸

對于氖原子來說,它內層的兩個波環(huán)也是垂直相交的,也有它的兩極,而它外層的8個波環(huán)也相交于兩極。顯然,按照斥力最小原理,內層波環(huán)的兩極不能與外層8個波環(huán)的兩極相重疊,假設內層2個波環(huán)相交于Z軸,那么,外層的8個波環(huán)只能相交于X軸

5.3 原子波環(huán)結構的Y軸

氬原子位于第三周期,多一個M層,M層的8個波環(huán)只能相交于Y軸。

5.6 化學元素各周期軸電子排布情況

從氬原子各軸層波環(huán)的相交方式可以推測出原子核外電子填充的基本規(guī)律,即Z軸電子層最多只能填充2個電子,如果前一個主電子層填滿Z軸,那么,后一個主電子層便從X軸開始填充電子,如果X軸也被填滿8個電子,那么,便從Y軸開始填充電子。如果Z、X、Y軸都被填滿,便又從Z軸開始,如此循環(huán)往復,原子就是這樣不斷地層層加固它的網狀電子球殼。下面,列出化學元素各周期的軸電子排布情況:

第一周期:K層z2

第二周期:K層z2,L層x8

第三周期:K層z2,L層x8,M層y8

第四周期:K層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8

第五周期:K層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…z2…x8,O層y8

第六周期k層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…x8…y8…x8,O層y8…z2…x8,P層y8

第七周期:k層z2,L層x8,M層y8…z2…x8,N層y8…x8…y8…x8,O層y8…x8…y8…x8…y8…z2…x8,P層y8…z2…x8,Q層y8

7.各周期化學元素最外軸層的電子數(shù)

下面,按照原子核最外軸電子層的電子數(shù)為序,將化學元素各周期的軸電子數(shù)排布情況展示如下:

第一周期:K層Z軸,H 1,He 2

第二周期:L層X軸,Li 1,Be 2,B 3,C 4,N 5,O 6,F 7,Ne 8

第三周期:M層Y軸,Na 1,Mg 2,Al 3,Si 4,P 5,S 6,Cl 7,Ar 8

第四周期:M層Z軸,K 1,Ca 2,

M層X軸,Sc 1,Ti 2,V 3,Cr 4,Mn 5,Fe 6,Co 7,Ni 8

N層Y軸,Cu 1,Zn 2,Ga 3,Ge 4,As 5,Se 6,Br 7,Kr 8

第五周期:N層Z軸,Rb 1,Sr 2

N層X軸,Y 1,Zr 2,Nb 3,Mo 4,Te 5,Ru 6,Rh 7,Pd 8

O層Y軸,Ag 1,Cd 2,In 3,Sn 4,Sb 5,Te 6,I 7,Xe 8

第六周期:N層Z軸,（無）

N層X軸,（Cs 1）（Cs 2）（Cs 3）,Ba 4,La 5,Ce 6,Pr 7,Nd 8,

O層Y軸,Pm 1,Sm 2,Eu 3,Gd 4,Tb 5,Dy 6,Ho 7,Er 8,

O層Z軸,Tm 1,Yb 2

O層X軸,Lu 1,Hf 2,Ta 3,W 4,Re 5,Os 6,Ir 7,Pt 8

P層Y軸,Au 1,Hg 2,Tl 3,Pb 4,Bi 5,Po 6,At 7,Rn 8

第七周期:O層Z軸,（無）

O層X軸,（Fr 1）（Fr 2）（Fr 3）,Ra 4,Ac 5,Th 6,Pa 7,U 8

O層Y軸,Np 1,Pu 2,Am 3,Cm 4,Bk 5,Cf 6,Es 7,Fm 8

O層Z軸,Md 1,No 2

O層X軸,Lr 1,Rf2,Db 3,Sg 4,Bh5,Hs 6,Mt7,Ds 8

P層Y軸,Rg1,Cn2,Uut3,Uug4,Uup5,Uuh6,Uus7,Uuo8

P層Z軸,（缺1—2）

P層X軸,（缺1—8）

Q層Y軸,（缺1—8）

第七周期各主電子層的軸電子排布是K 2,L 8,M18,N 32,O 50,P 18,Q 8;可以看出,第七周期的p主電子層的Z和X軸都是空的,Q層的Y軸也是空的,或者說,還有Z,X,Y共3個軸層的元素是空的,總共有18個元素有待人們去發(fā)現(xiàn)或人工合成。其中,第六、七周期的N層只有32個電子,按八偶律規(guī)則,只能安排兩個X軸層和兩個Y軸層,故各少一個Z軸層。同理,第七周期的O層也少一個Z軸層,恰好論證了鑭系和錒系元素的直徑縮小的真正原因。而那種把鑭系和錒系元素提取出來單獨排列的做法也是不妥的.從上面的排布規(guī)律來看,除了第一周期的Z軸層以外,其余各周期均能以X軸層或Y軸層的8個波環(huán)結束。各周期元素的數(shù)目之所以呈現(xiàn)出2,8,8,18,18…..這樣的規(guī)律,就是因為它們是按照Z,X,Y軸層循環(huán)排布的結果。這也是證明原子波環(huán)結構正確性的重要證據(jù)之一。

7.總結與展望

本文以核磁共振的成功實現(xiàn),證明氫在化合物中是一個小磁體,它的核外電子云是環(huán)形,而不是球形.并以斥力最小原理推導出多電子原子的核外電子云也是環(huán)形,而不是球形和亞鈴形,論證了原子波環(huán)結構的存在。同時,指出<路易斯結構>的八偶律與原子直徑大小無關,而與電子之間的角度有關,進一步證明了原子波環(huán)結構的存在。由原子的波環(huán)結構推導出化學元素核外電子的排布規(guī)律,指出還有18個元素有待人們去發(fā)現(xiàn)或人工合成.并制作完成<化學元素ZXY軸電子排布表>.這一探索是初步的,還有待人們進一步分析和研究.