淘客熙熙

主题:横跳没有出路 -- 给我打钱87405

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家园 什么是化学键?

(1)

化学键中的键不是键,它对应的英文单词是bonding,结合的意思。所以,化学键这个词就是所有化学结合方式的统称。

你看,化学键这个词有多么的务虚,像不像爱情那个词?小红跟老王结合到了一起。所以其实我们最开始,并不知道化学键具体是怎么回事,化学结合到底是怎么个结合法。这样,就有人去探索它。

经不断的探索,我们到了解一个知识:原子由原子核和核外电子构成,原子核由质子和中子构成。人类是先发现某些“物质”有相同的物理化学性质,提出了元素这一概念,后来才搞清楚分类依据其实就是质子数。质子数相同的原子归为一类,叫某元素,质子的数目就是该元素的原子序数。

我们又了解另一点:质子带正电荷,电子带负电荷,一个质子带一个单位 的正电荷,一个电子带一个电位的负电荷。对于某原子而言,它有多少个质子就对应多少个电子,所以原子的电性是中性。

我们还了解到第三个知识:电子是在核外的轨道上运动,并且不是挤在一个轨道上,而是分布在不同的轨道上。

当人类探索到第四个知识之后,就大概搞清楚化学键到底是啥回事了:核外电子不稳定,准确的说,不同的元素,其电子稳定性不尽相同。

氢,有1个质子,核外有1个电子。因这样的电子分布,氢是不大稳定的。怎么才能稳定下来呢?要么,放弃这个电子,要么,再吸一个电子过来。

氧,有8个质子,核有8个电子,这8个电子 分布在两个轨道上,里2外6。氧也不大稳定,要稳定的话,它要么再吸2个电子,跟那6个电子在一个轨道里,要么把最外层的6个电子全部丢掉。

那么氢原子遇到了氧原子会发生什么呢?

氢原子就会对氧原子说:太好了,你富余6个,给我一个呗?

氧原子对氢原子说:我就算给你一个,我还剩5个,我仍然不稳定啊,要不你把你这个给我好了。

氢原子说:我就1个,你还想拿走?

正说着话,又来了一个氢原子,他在一旁帮腔:就是就是,你也太狠了,你应该把电子分给我们俩。

这里多说一句,氧原子如果失去了2个电子,那么它的最外层轨道就还剩4个电子,根据经验来看,这种状态叫半空(第二轨道全满是8个电子),属于稳定状态。

氧原子一看,来了两个氢原子,大喜:哈哈,太妙了,你俩,一个给我一个电子,你好我也好,皆大欢喜。

氢原子是不会答应的,他只有唯一的1个电子。并且在氢原子看来,两个氢原子一块上,抢走氧原子2个电子,对是氧好。

氧原子也是不会随意放弃的,机会难得 。

双方都努力的想说服对方听从自己的意见:给我吧,给我,对你好,对我也好。

由于双方都表现出了极大的诚意,最后他们就成了“一家人”:共享电子。氧拿出2个电子,一个跟氢A共享,另一个跟氢B共享。反过来也是如此,氢A拿出自己那个电子跟氧共享,氢B也拿出自己的那个电子跟氧共享。

现在我们知道,这“一家子”,有一个名字,叫水。他们的共享式结合方式,就被命名为共价键。

电子共享,只是化学结合方式当中的一种,很常见。还有很多种,现在来介绍另一种常见的结合方式。

钠的原子序数是11,它的核外有11个电子,具体分布由内至外是:2、8、1

氯原子的原子序数是17,它的核外有17个电子,它的分布由内至外是:2、8、7

这俩相遇,我们都不用多想,一定是一拍即“散”:钠原子丢掉最外层的电子,氯原子就把这个电子抓过来,“交易”完毕,各走一边。

然而并不会。钠原子失去了1个电子之后,电性不再是中性了,而变成了带1个电位的正电荷,这样的状态我们叫它钠离子;同样,氯增加了1个电子之后,就了带1个单位 的负电荷。

正、负电荷相吸,钠离子跟氯离子紧紧的拥抱在一起,也成了“一家人”,叫氯化钠。

这种结合方式,我们称之为离子键。

附带说一句。比方说关于化学键我们学到这里,是不是就可以画一个句号了呢?并不是。因为从表面上看,化学反应或者说原子的结合跟电子的得失有关。可是,为什么电子会有“想法”呢?稳定到底是由什么主导的呢?这就是下一步要探讨的内容了。

我之所以要附带这一句,其用意就是为了指出:不断的深入学习,原本是会自然而然发生的。

(2)

现在我们谈能量。这个问题好像有点让人摸不着边际,其实不然。我们会!

经前面的学习,我们已经明白,不论是单 质还是化合物,都是原子跟原子结合在一起,如果这种结合是牢靠的,那么分开它也就是术语中的“断键”就相对要“费劲”,而这个“费劲”我们也知道,是需要更多的能量。

所以现在我们可以组织一下语言,这么来表述:

若原子和原子的结合较为牢靠,那么我们说其化学键强,分子就会比较稳定,稳定的分子就会比较“懒惰”。因此,要断开这样的强化学键,我们就需要更多外部能量介入。

是不是已经讲清楚了呢?好像是的。真的吗?并没有。因为我们会遇一个问题,比如说两个单质发生反应,形成一个化合物,这个形成的过程中,在有些情况下需要加热,而在另一些情况下会放热。这说明了什么呢?

是不是漏掉了什么?否则,我们为什么不能回答,在什么情况下,形成新的化合物是需要加热的(吸能)?为什么不能回答,钠和氯生成氯化钠是放热(放能)的?

想想看,我们前面是如何定义化学键的强弱的?是从破坏的角度来谈的。

漏了什么?

这个问题很难。似乎我们只有一种办法来定义结合的牢固度。好比说,我们只需要很小的能量就能破坏豆腐,把豆腐砸碎,而对付铁块就要耗费更多的能量。好像并不缺什么呀?

现在回过头来想一下。比如说钠,前面提到,它的电子数是11,分布是281,最外层轨道上只有1个电子,这个电子很容易失去。现在的问题是,如果钠在一个真空中,最外层的那个电子会不会跑掉呢?并不会。它为什么不会跑掉呢?

“因为没有人吸引它”。又转回来了。对吗?这句话还是从外部来考虑的。

这就是我们思维上的漏洞。在真空条件下,钠最外层的电子并不会逃逸,保持这样一种状态,难道不需要“内部约束力”吗?

当然需要!

所以,钠原子11个电子各就各位,其实需要很高的能量的。

正因为需要很高的能量来保持这种状态,因此,外部有一点点“诱惑力”,最外层的电子就跑了!

对不对?

好比说,为什么有的人经不起别人的诱惑?

因为他要保持不受诱惑这样一种状态,需要支付更高的成本。一旦外部出现 了“诱惑力”,而想不受诱惑,就需要在原来的基础上,再支付更一些成本,可是他能支付的成本是有上限的。“钱花光了”,“老婆跟人跑了。”

这么一说,我们就有点恍然大悟了:对呀,保持任何一种状态,都是需要有本钱的。这事我们懂啊!可是之前为什么就想不到呢?总是从外部介入来理解化学键的强弱呢?

因此,化学键的强与弱,还可以从内部来定义。也就是说,强化学键,意味着要Hold住这样的原子间结合,需要的能量低;弱化学键,意味着要保持这样的原子间结合,需要的能量高。

豆腐要成形,不散架,需要的能量高,否则它自己就散了。正因为如此,外力稍有介入,它就“我实在忍不住啦。”

铁块保持它的样子,需要的能量低。正因为如此,有一个锤子去砸它,它会说:“干嘛摸人家啊”。摸它一下它会不散。

又好比说,张三跟李四,静静的坐在一起,他俩手拉手很容易就办到了;而如果张三跟李四两人都在奔跑,即便手拉手也不容易了。

同理,氧气与氢气反应生成水,也是一个放热过程。因为氧与氢形成的共价键强,而氧原子与氧原子之间的共价键要相对的弱,氢原子之间的共价键也要相对的弱。后面两个弱共价键所对应的是“Hold住这种状态需要更多的能量”,前面氧氢共价键对应的是“保持这种结合需要的能量要低”,由弱往强走,能量就会有富余,就会释放出来。反过来,由强化学键往弱化学键走,能量不足,就需要吸能。

这个认识就非常有意思了。中国外交部的耿爽就曾经在答记者问时引用过孟子的一句话,“行者不就,反求诸己”。当然,老外是听不懂这句话的。它的意思就是说,没有办好事,应该多想想自己的问题。

内、外是不分家的。你一个个人,如果总是禁不起诱惑,是不是说明你内部的能耗很大呢?看起来好像是岁月静好,其实你每天内心都是翻江倒海呢?

煎鱼,不想鱼肉散了,先炸一下。炸一下,就等同于又注入了能量,本钱多了,潘金莲就能扛得住西门庆的引诱了,不容易散架了。

现在归纳一下。要看化学键的强与弱,要学会从内部来看问题。断键比较困难,说明要保持原有的化学键so easy。断键比较容易,说明要保持原有的化学键so hard。

(3)

在前面我们已经弄明白了一件事,保持某种状态是需要能量的。

这个事,在生活中,我们确实容易忘记。有的人就认为“什么?婚姻还需要经营吗?”他忘了,一个家庭要和睦,是需要有“能量”支撑的。

那么,我们就可以命名了。我们说,两个原子结合在一起之后,要保持住这种状态,其内部需要一个【保守能】。这个范围还可以延展,我们说,一个原子,它的电子能保持“原生态”的分布,也是需要【保守能】的。

有没有问题?没有问题。这事说清楚了。

可是有一件事,着实把我搞糊涂了。我刚刚说的【保守能】这个名称,在外国人那里,叫【自由能】!

我最开始还以为说的不是一码事,结果我翻来翻去,发现我们说的是同一个东西。我又猜想是不是翻译的问题,结果发现确实就是叫【自由能】,free energy。

这,究竟是怎么回事呢?我想啊想啊,终于有一天,我想通了。

原来,在西方人来看,如果一个化学键弱,说明它的自由能大——老想着自由(的离开),一个金属原子活泼,说明它的最外层电子自由能大。

而我说的是,一个金属原子的电子老想跑掉,所以它活泼,为了不让它跑掉,我需要的保守能就大。一个化学键弱,说明要hold住当前的状态,需要的保守能就大。

在西方人的说法中,化学键弱,意味着自由能大(想分裂的意愿 强),化学键强,意味着自由能小(想跑的意愿 不强)。

在我的说法中,化学键弱,保守能大(维持局面耗的本钱多),化学键强,意味着保守能小(维持局面所需要的能量小)。

有趣不有趣?同样一件事,一个用的是自由一词,一个用的是保守一词。

这说明什么呢?这或许能反映出,文化差异大。

有时候,对同一件事,双方所用的词,词义刚好相反。如果彼此不了解这一点,望文生义,尤其是在双方都对对方的语言略一二的情况下,是非常容易产生误解的。

这就好比说“不差”与“好”,在某些情况下,表达的是一个意思。又好比说,有人高兴得【哭】了,喜极而泣。

这事让我狠是长了教训,万万要注意,不可随意望文生义,尤其是在对方的文化跟你差异巨大的时候。

搞明白了这个词的问题之后,我以前看不懂的地方,立刻就懂了。比如有的书里说,“为什么人要吃葡萄糖呢?”因为葡萄糖的自由能相对大,前面也介绍过,有机大分子的结合都是弱化学键。因为它的自由能大,它一降解,就会往自由能小的分子变,葡萄糖分解成二氧化碳和水,所以就它会释放能量,这样我们人类就把葡萄糖给“吃”了。

显然,植物就要比我们人类“厉害”多了。植物通过光合作用,把自由能相对小的二氧化碳和水变成了自由能相对大的糖。为啥呢?它有叶绿体,能利用光能。

我之所以单独把这一点拎出来,是因为文化差异是客观存在的,我们大量的知识是从西方引入的,一定会有很多误会 发生。这是需要注意的。

最后还有一个问题要问:究竟是内部的“向心力”导致保守能低导致不安分的电子、原子“不怎么想跑”,还是因为不安分的电子、原子“不怎么想跑”所以显得“向心力”强因而需要的保守能低呢?哈哈,这就是千古难题了。

(4)

这是最后一站,但同时也是万里长征的第一站。

我们在前面已经确信,完全的确信,一切的化学反应其本质都是能量的传递。

比如,我们人类从食物中提取某种蛋白质,就叫它甲白质吧,之后会将甲白质分解成氨基酸,我们清楚的知道,这是一个从弱化学键往强化学键变化的过程,它是一个释放能量的过程,这些能量的一部分会储藏在ATP中,ATP就像一个电池。但很快,ATP的能量就会被用来将氨基酸合成蛋白质乙。因为我们同样清楚的知道,这是一个从强化学键往弱化学键变化的过程,这一过程需要吸收能量才能进行,而这能量由ATP提供。

所以我们可以将这两个过程进行简化:蛋白质甲——蛋白质乙。然而我们会突然间感到恐惧!

简化后的过程,就能量的循环而言,跟我们举铁没有任何不同。当杠铃处于地面处,它相对的稳定,相当于强化学键,而当杠铃处于某个高度时,它相对的不稳定,相当于弱化学键。而弱化学键会【自发】的转向强化学键,强化学键并不会自发转向弱化学键,所以杠铃并不会自动从地面抬升至某高度,而需要从外部输入能量。

所以,时间是有方向的,这方向的背后是外部能量的输入。我们马上就会问:对于整个宇宙而言,外部能量从哪里来呢?照这么下去,整个宇宙岂不是早晚要“崩塌”?就像一个人是不可能将杠铃举起来,再任由它自由落体,接着再将杠铃举起来,并将这一过程永久的进行下去的,这是不可能完成的任务!

这么来看,我们时常挂 在嘴边的那句话:唯一不变的就是变化,“包藏祸心”。我们终于明白了,要维持“唯一不变的就是变化”是需要从外部输入能量的。可是对于整个宇宙而言……

换而言之,等待我们的命运,只能就是毁灭。这太可怕了!太可怕了!

所以,当我们学到这个地方的时候,必定会出现一种情况:“越有知识越有反动”。

可是我们要问一句,我们真的了解宇宙吗?这意思并非是说我们还没有探索至整个宇宙,而是我们真的了解【整个】的意思吗?

我们之所以推出来,整个宇宙最终会崩塌,一切都会毁灭,是基于我们自认为我们是完全的理解【整个】这个词的——对于整个宇宙而言,整个这个词的意思就是说不存在外部。

我们冷静下来,就会回答:不理解,没有任何证据表明我们是理解【整个】这个词的。

可是我们会怀疑自己的这种冷静,我们会不断的问自己:这是真的冷静吗?还是侥幸?还是自欺?还是欺人?

但如果我们只是这样不断的自问,什么也不干,那么会发生什么呢?我们就没有任何机会了。因为从某种角度来看,现代文明社会不可能是自问的结果,不可能日日沉思,就能沉思出卫星与核弹。

所以,这又必定会出现另一种情况:越有知识越进步。越是了解得多,越是认为万里长征才走了小小的一步。

这就是人与人的终极差异。

真想学的,真想干的,你阻挡不了他。

不想学的,不想干的,你激发不了他。

the end.

通宝推:侧翼,纳米小洞儿,mezhan,
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