化学键一个世纪的迷茫

晏成和

自从元素周期表-原子构成、特性确立之后，原子之间是如何连接构成物质？就成为科学的一个最基本的问题，也就是物理学、化学的核心问题。 有人会说，我们在中学就学习了各种化学键，如：共价键、离子键、金属键，各种原子用不同的键进行连接。此外，在大学相关专业还讲授了不同物质中这三类键的相互混搭、称之为离子性比例； 教科书还讲述了色散力、诱导力、取向力等等各种不同的分子力；还讲述了σ键、π键、δ键……

这各种键理论，貌似分类细致、面面俱到，实际上的解读苍白、生涩，难以证实，缺乏科学理论应该具备的简约性、普适性，最大的困难是：所有键的构成理论与已知的自然公理和自然事实格格不入。

我们先来看共价键，现代教科书上说：“共价键是原子间通过共用电子对、发生电子云重叠而偶合成的化学键。”图1是现代教科书上对共价键成键的表达。

                   图1 近代教科书上的电子成键

然而在大自然中，电子与电子相斥已是众所周知。电子之间最不可能发生的就是图中教材那样的电子云重叠配对成键。实验：金属球导入电荷，立即形成电场、产生电压，表现为强烈的相斥；光谱分析中得知、核外电子的能级排列，并且按2、8、18均匀分布、推开距离，实验事实和数据表明，电子与电子总是在有限的体积内达到距离最大化，电子与电子总是在尽量相斥。

而共价键理论说，该连接是原子共用的外电子对重叠而成。既然是电子之间总是在尽量相斥，那电子与电子如何重叠、如何共用、如何偶合？

金属键理论认为，自由电子重叠偶合构成了金属键。这个时候，在金属内自由奔驰的电子如何偶合负担起成键的重任？该键如何连接、构造形成金属的延展性？

共价键、金属键理论的“电子偶合”完全违背事实。把相斥的说成是偶合，自相矛盾、违反公理的理论、肯定不是自然真实！给科学带来一个世纪的迷茫。

离子键也不经推敲，谁也不会先自动失去电子，然后去争夺、以形成相互吸引。既然是要争夺，何必先自动失去？逻辑都不对！键理论与大自然告诉我们的电子的特性南辕北辙。 复杂、晦涩、种类繁多的键及其理论不是自然真实，因为大自然崇尚简单。

简约的自然不会在固体的原子的连接方式上采用七八种力、构成上十种键。可叹的是：当物质发生相变-固体成了液体、气体，这些键和键力到哪里去了？相变是键理论的伤心之地。

价和电子、结构元

键理论的制造者看到原子边缘是电子，就认定原子靠边缘电子连接；人与人连接并不是边缘有手，而是发自于内心。

原子之间的连接，是原子构成的继续。原子基材质子、电子各自伴生的场，质子场对周围物质、对电子的引力是物质构成的主力、是最强大、基本的自然力。应该注意：这个引力是没有边界的，原子核的引力不会到了原子边就缘嘎然而止，而是超出了原子、向外无限延伸、按距离平方反比衰减。

所有原子核的引力都向外延伸——导致原子相互吸引相邻的价电子，形成了外（价）电子共享。造成价电子的运行线路是：两原子各拿出一个价电子，包围着两原子核及内层电子、形成椭圆形的轨道高速运转。图2中，结构示意图。

我们把原子核及内层电子叫做核心，把一对价电子包围两个核心、促使两核心紧密结合的运转叫做价和运转，所结合成构成的整体叫做结构元，参入价和运转的电子叫做价和电子。结构元如同是原子的家庭，是原子之间连接、构成物质的又一级基本单位。

即包围着两核心的价和电子由两原子共享，形成结构元把两原子稳固地结合起来。价电子1-3个构成金属结构；价电子4-7个构成多个结构元、形成空间晶体延展（共价结构）；化合物不同原子的共同价电子的多个结构元、形成化合物结构。由此构成原子之间连接的最基本的图像，大自然没有那么多的键，就是用结构元构成所有原子的连接。

图2 结构元及晶体结构

原子引力外延、相互吸引价电子，会不会造成混乱？根据泡利不相容原理，每个电子轨道上只能有一对电子运转。原子间的价电子运转共同遵循这一原理，而不是再造一个名词-共价键的饱和性。

以上，原子之间简单结合的结构元、和流传百年面面俱到的化学键、就摆在了我们面前，谁是自然真实？谁具有科学性？如何取舍？就成为当今学者面临的科学抉择。

秦四清先生在科学网的文章《什么是理论的科学性？》，说理清晰。在此，部分引用原文【】内，为分辨原子结合的自然真实找到一个科学性的靠山。

【简约性。创立科学理论的目的，在于从错综复杂的现象中提炼出普适性的本质规律，通常逻辑上是简约的、形式上是简单的，越表明理论的科学性越强，正所谓大道至简。】

原子之间，基本结合的结构元，其本源来自于质子场对电子吸引力的外延。原理普适，与质子、电子构成原子的原理一脉相承，然后由结构元构成世上万物。自然制作结构元顺理成章、形式简单、逻辑通顺。

大自然不会在各种原子之间分门别类去建立共价键、离子键、金属键；不会在建立了基本结合之后，再去建立σ键、π键、δ键，七八种力……

【适用性。理论的前提假设越简单越好，涉及的因素越多越好，适用范围越宽越好。

解释力。 如果根据某理论能简单合理地解释多种现象、多种实验/观测结果、前人百思不得其解的问题等，则说明该理论的科学性相当给力。】

结构元理论普适、互洽。能够全面地解读金属物质的所有特性；能够解读共价晶体、化合物晶体的脆性及其所有特性。还能够诠释物质的相变——前人百思不解的自然之谜。

金属，如：金、银、铜，只有一个价电子，两个原子只能构成单个的结构元，由两个价和电子运转所伴生的电磁力使结构元相互吸引，扩展构成了金属晶体。由于是电磁力的吸引，在强力作用下金属结构元能够滑移、换位，形成了金属的塑性、延展性——这也是前人没能合理解读的谜。

非金属或化合物，如：硅、食盐，有多个价电子，如图2共价晶体每个原子如同中心原子、有4个结构元，价电子按顺序环绕核心。这样的结构无限扩展，构成了硅晶体。当外力或外界因素导致某个结构元损坏，造成其价和电子的运动混乱，波及相邻的多个结构元损坏，于是造成整个晶体的破坏。宏观的表现是：共价晶体的脆性。

结构元之说对相变的解读

原子之间的结合力——价合力、电磁力，来源于价电子的价和运转；那么，改变价电子运转，也就能够改变其运动中所形成的结合力，当物体结合力减少、物体结构坍塌。由此能够顺理成章地解读自然之谜——相变。

 温度升高，价和电子运转速率加快[1]、运转半径加大，造成了物体的热胀。然而温升并不能使价和运转的半径一味地加大，结构元间价合力限制了平面运转的价电子更高的速率。于是热到一定的温度，急需加快速率的价和电子只得跃出原来的运转平面，在原线路平面的上下一定的区间进行空间的扭曲运转，这样的空间运转线路长，速度快。

价和电子运转线路的扭曲，导致与价和运转垂直方向的电磁力也发生扭曲和晃动，于是结构元之间电磁力的方向就不专一，遇外力时，结构元之间容易移动换位，于是物体塑性增加，趁热打铁就是这个原理。

当温度达到熔点，价和电子的速率更高，扭转区域更大，导致电磁力的方向大幅摇晃、作用点更加紊乱，同时又受到 侧向电子间斥力的干扰。于是结构元在物质内换位、滚动、转向、重组。原来的金属物体内稳定指向的内力完全瓦解，刚性彻底消失——物体熔化了，相变成了液体。如 图3。

　（1）固体          （2）塑性增加        （3）液体         （4）气体

                  图3 价和电子运动的线路与物质的相态    

（1）价和电子在平面稳定运转，伴生的价磁力指向稳定，物质呈固态。

（2）价和电子在窄小黄色空间范围扭曲运转，伴生的价磁力方向不稳，物体塑性增加。

（3）价和电子在大范围空间扭曲运转运转，伴生的价磁力方向晃动，物质呈液态。

（4）温度进一步升高，价和电子在空间球状扭曲运转，黄色外椭圆表示价和电子包围呈橄榄状球体运转，价电子与价电子相斥，伴生的价磁力方向混乱，物质呈气态。

结构元是大自然（惰性原子外）所有原子相互结合的基本方式，是原子构成形式的继承和拓展，理论系统、简单，适用范围广泛。能统一描述金属、非金属、化合物等各类物质的构成、及其演变（化学），适用于几乎所有的物质构成乃至其相变。

结构元形成的前提非常明确、简单，就是人们广泛认可的原子核对电子引力，是电子绕核心运转的继承和延续。只不过线路略大了一点，就构成了原子之间、乃至万物的连接，由此看到大自然的简约和睿智。

很明显，用结构元一种结合方式诠释所有原子的连接，当然比七八种化学键要简单很多；仅用结构元之说就能够解读金属的塑性、延展性、非金属的脆性，以及所有物质的多种性能；用价和电子的速率、运转半径构成了物质的结合力；还能在价电子的运动中够解读这个力的变化，直至解读物质的相变、液态流动、气体的浮动。七八种化学键加起来对上述事实却是哑口无言。

结构元自身构成合理，能相符不悖地解释多种现象、多种实验/观测结果、前人百思不解的问题。有如此广泛地解释力，则说明该理论的科学性相当给力。

这些年，我们国家求贤若渴、大力呼唤科学创新，不拘一格支持科学原创，提出了破“四维”。以上这些原创的结构元文章公开发表，解读了原子之间的连接，破解了前人百思不得其解的相变，大多数学者应该可以看到，可是反应却是冷冷清清。

结构元是继元素周期表之后，人类对自然奥秘的重大发现，这个发现是由中国人所作出的，中国学界应该对这一发现进行认真的研讨论证，这样的研讨不仅能促进我们的物理学、化学乃至生物学在新的基础理论上的率先发展、引领开拓，还能彰显中国对世界科学的贡献。

2021/5/2

[1]《相变原理》http://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1125345.html