《世界存在的本质 05》

在自然界人类活动的范围里，很少见到独立存在的原子。物质大多数是由原子集合而成的化合物。即使从近代以来，拉瓦锡提出元素论，道尔顿提出了原子论，物质元素之间的结合和化学反应一直是个问题，直到二十世纪初人们了解到原子的内部结构。分子和其它化合物的形成，或者说原子的结合，是通过转移或者分享原子的通常称为价电子的外层电子。当一个钠原子遇到一个氯原子，钠原子的最外层电子转移到氯原子。钠原子就成为带正电的钠离子，氯原子变成带负电的氯离子。两者通过静电作用相互吸引而结合成氯化钠分子。这就是物质组合的离子键形式。静电的库伦力没有方问性。纳离子和氯离子可以累积组合，形成氯化钠晶体，也就是我们厨用的食盐。又因为钠离子和氯离子有完整的外层电子层和电子亚层，它们的空间各间异性很低，结合成的氯化钠晶体也就具有高对称的立方结构。

金属原子的外层电子很容易从原子里剥离出来。当金属组成物质时，外层电子不再局限在单个原子，能在原子间自由游离。所以金属材料有很好的导电性和导热性。自由电子对可见光的反射能力很强，所以人类很早就用金属平面作镜子。金属离子通过和自由游离电子的静电作用结合起来。金属离子基本上是空间各向同性，所以金属组合大多近乎密集堆垒。晶体结构多是六角和面心立方。基于同样的道理，金属原子移位并不困难，所以金属材料的可塑性和延展性很高。可以塑造各种形状。金属可以由掺杂而改变物理特性。因此，金属被用来制作成各种工具。青铜和铁器的发明是人类文明的两大重要的飞跃。美洲的玛雅，阿兹特克，和印加帝国直到灭亡也没有发展出金属器文明。而离子晶体大多是不同元素原子的固定的层阵或交错排列，所以它们坚硬，不容易形变。但是可能沿着一定的晶格层面离解，裂开。离子晶体里的电子也被离子束缚，所以它们一般是很好的电绝缘体。

电子转移无法解释氢分子和氯化氢分子的形成。设想一下一个氢原子的电子转移到另一个氢原子。两个电子相距太近。它们库伦势能超过这两个氢离子的库伦势能。所以这个状态不稳定。但是有这么一种情况：两个氢原子的电子都偏移到氢原子核的中间，通过库伦力将氢原子核束缚起来。虽然两个电子之前存在库伦斥力，但是整个系统能够达到低能量的稳态。

无论是经典牛顿力学还是量子力学都可以精确完备地描述二体系统。但是，当一个系统包括三体或者三个以上的物体时，力学的数学结构非常复杂，无法得到精确的解。我们对多体系统的了解也不可能完备。前面提到的多电子原子结构会有这种问题。氢分子即使是最简单的分子，在处理氢分子的结构和状态时也存在同样的困难。1927年，海特勒和伦敦第一次利用量子力等和波函数概念求得氢分子的近似解。如果两个氢原子电子波函数重叠程度越高，电子在氢原子之间出现的几率越高时，氢原子之间的结合力超强。当两个氢原子相距0.74埃时，结合能达到最低。在氢分子处于稳定态，两个电子在同一位置出现的几率增高。根据泡利不相容原理，两个电子的自旋必须相反。所以氢分子没有净电子磁矩。这种通过分享电子的分子结合被称为共价键。在氢分子里，正电荷中心和负电荷中心完全重合，所以氢分子没有电极性。相比较，氯化氢分子具有电极性，更容易参与分子之间的活动。

不同于离子键和金属键，共价键具有方向性。1931年，鲍林提出了轨道杂化理论。在一特定的共价分子里，电子为了争取极大限度的波函数重叠，它会处在一个由原子电子本征量子态组成的混合态上。在二氧化碳分子中，碳原子的一对电子的波函数是s轨道和p轨道的混合，称为sp 杂化。键角180度。所以二氧化碳是线性非极性分子。碳的三电子sp2杂化形成三角形共价键电子。这是石墨六边形层面结构的来源。石墨层之间的作用力很弱，因为层间p电子轨道重叠度很低。碳原子也可以通过sp3杂化结合形成正四面体结构的钻石。这种结构超级稳定，所以钻石的硬度极高。水分子里氧原子是sp3电子杂化，但是只有两个电子参与和氢原子的结合，另外两个电子空悬。氢氧键的夹角大约105度，近乎正六边形内角的120度。水分子是极性分子。由二氧化碳凝结成的干冰是密集堆垒形成的面心立方体。而冰在氢氧原子的极性作用下排列成六角结构。缤纷多姿的雪花的基本形状便是六角。这这里，我们不妨从微观世界的思绪中出来，体会一下大自然的美。

--写于2022年7月17日（图片来自网络）