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气体的活泼与惰性

已有 1171 次阅读 2019-7-3 12:21 |系统分类:论文交流

    氧气的活泼与氮气的惰性

晏成和(yych66@126.com)

初三上化学课,了解了化学反应,知道了化学变化。有的物质发生反应容易、神速、甚至剧烈(爆炸);有些物质在一起,则反应很困难、缓慢;甚至根本不能起反应。由此在化学研究中制定了一个拟人化的名词:化学性质-活泼,却无从知道这“活泼”来自哪里。


老师要求背下金属元素活泼顺序:钾、钠、钙、镁、铝……铜、汞、银、铂、金。并且告诉我们:活泼的是周期表中原子量较小的金属:不活泼的是原子量较大的重金属。至于为什么是这样,教材和老师都没有讲。

还有最不活泼的惰性气体,惰性是因为价电子饱满,不需要与其它元素进行化合。

 

上篇文章谈催化,重点是价电子的速率、活泼。单原子催化就是利用重金属元素稳定的核外电子牵制、修改反应物的价电子速率,使得原来因速率差异不能同步而难以进行的化学反应、因速率的变更而同步,使反应变得容易快捷。原子量小的金属价电子速率可塑性很大,所以活泼。于是这个反应能否进行,活泼、不活泼就成为化学戏的主角。

 

说到活泼,化学还有一个叱咤风云的干将:氧化。说的是氧气性格异常活泼,氧化无处不在,几乎所有的元素他都能够“亲上一口”。氧气虽然只占大气21%,已经是满城风雨。还好,在空气中有大量的氮气,占78%、稳定,一物降一物,这个最不活泼的气体,维持了大气的规矩和秩序。那么,这个氧气的异常活泼与氮气的古板惰性是来自哪里?

这是我几十年思考的问题,也是几乎所有的化学书籍回避的问题。在百度上还是生涩难懂的“回答”。


在元素周期表中氮和氧是邻居,氮5价、氧6价。这在同一周期、仅有一个电子之差,怎么能够把化学特性弄得天壤之别?从元素原子上思考无解。从分子上思考,都是核外电子速率很快的分子,蹊跷在哪里?


分子是原子结合构成的,一般是核心相互吸引对方价电子,形成多个结构元,不同种原子的结合往往是使共有的核外电子数达到8或n8,物质进入低能量稳定状态,基本上就不进行反应、不活泼了。如:H2O水、CO2二氧化碳。


同一种原子固体物质核心相互吸引对方价电子,依价电子数形成共价晶体、金属晶体。在气体中是两两结合构成分子,如:O2氧气、H2氢气;N2氮气。


                        图一

同一种原子两两结合成气体分子,要注意的是:共有的价电子围绕两个核心形成空间运转。例如氮气,空间运转的10个电子因为空间大、便于重新排布。元素周期表告诉我们,核外电子的排布规律是2/8/18,两个氮原子结合成氮气也保持着这个规律,于是这共有的10个电子按2/8规则排布(如图一左),外层8个电子,这正是惰性气体氖的电子排布,于是氮气也就有了氖的惰性,可以说氮气是分子态的氖。


两个氧原子结合成氧气,共有的12个电子只能按2/8/2规则排布,形成了活泼金属镁的排布(大家回忆镁燃烧、镁光灯),加上气体核外电子的空间运转的高速率、可塑性。于是氧气的活泼性愈发膨胀、无处不在,可以说氧气是分子态、气态的镁,其活泼性登峰造极,氧化也就成为了自然界的普遍存在。


顺便也说一说氢气,两个氢原子紧密结合在一起,就是参加化学反应也不会分开,如H2O。氢气的两个价电子形成了分子态的惰性气体氦,所以惰性十足。


结合元素周期表和气体核外电子的重新排布,解读了氧气的活泼和氮气的惰性,在逻辑上说服了自己,或者,这就是大自然的真实。

2019、7、3




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