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陳冠英律師事務所

氧氣的活潑與氮氣的惰性

2019年07月11日   維加斯新聞報
晏成和

    初三開設了化學課,瞭解了化學反應,知道了化學變化。有的物質發生反應容易、神速、甚至劇烈(爆炸);有些物質在一起,則反應很困難、緩慢;甚至根本不能起反應。由此在化學研究中制定了一個擬人化的名詞:化學性質-活潑,卻無從知道這“活潑”來自哪裡。

    老師要求背下金屬元素活潑順序:鉀、鈉、鈣、鎂、鋁……銅、汞、銀、鉑、金。並且告訴我們:活潑的是週期表中原子量較小的金屬:不活潑的是原子量較大的重金屬。至於為什麼是這樣,教材和老師都沒有講。

    還有最不活潑的惰性氣體,惰性是因為價電子飽滿,不需要與其它元素進行化合。

    上篇文章談催化,重點是價電子的速率、活潑。單原子催化就是利用重金屬元素穩定的核外電子牽制、修改反應物的價電子速率,使得原來因速率差異不能同步而難以進行的化學反應、因速率的變更而同步,使反應變得容易快捷。原子量小的金屬價電子速率可塑性很大,所以活潑。於是這個反應能否進行,活潑、不活潑就成為化學戲的主角。

    說到活潑,化學還有一個叱吒風雲的幹將:氧化。說的是氧氣性格異常活潑,氧化無處不在,幾乎所有的元素他都能夠“親上一口”。氧氣雖然只占大氣21%,已經是滿城風雨。還好,在空氣中有大量的氮氣,占78%、穩定,一物降一物,這個最不活潑的氣體,維持了大氣的規矩和秩序。那麼,這個氧氣的異常活潑與氮氣的古板惰性是來自哪裡?

    這是我幾十年思考的問題,也是幾乎所有的化學書籍回避的問題。在百度上還是生澀難懂的“回答”。

    在元素週期表中氮和氧是鄰居,氮5價、氧6價。這在同一週期、僅有一個電子之差,怎麼能夠把化學特性弄得天壤之別?從元素原子上思考無解。從分子上思考,都是核外電子速率很快的分子,蹊蹺在哪裡?

    分子是原子結合構成的,一般是核心相互吸引對方價電子,形成多個結構元,不同種原子的結合往往是使共有的核外電子數達到8或n8,物質進入低能量穩定狀態,基本上就不進行反應、不活潑了。如:H2O水、CO2二氧化碳。

    同一種原子固體物質核心相互吸引對方價電子,依價電子數形成共價晶體、金屬晶體。在氣體中是兩兩結合構成分子,        如:O2氧氣、H2氫氣;N2氮氣。

    同一種原子兩兩結合成氣體分子,要注意的是:共有的價電子圍繞兩個核心形成空間運轉。例如氮氣,空間運轉的10個電子因為空間大、便於重新排布。元素週期表告訴我們,核外電子的排布規律是2/8/18,兩個氮原子結合成氮氣也保持著這個規律,於是這共有的10個電子按2/8規則排布(如圖一左),外層8個電子,這正是惰性氣體氖的電子排布,於是氮氣也就有了氖的惰性,可以說氮氣是分子態的氖。

    兩個氧原子結合成氧氣,共有的12個電子只能按2/8/2規則排布,形成了活潑金屬鎂的排布(大家回憶鎂燃燒、鎂光燈),加上氣體核外電子的空間運轉的高速率、可塑性。於是氧氣的活潑性愈發膨脹、無處不在,可以說氧氣是分子態、氣態的鎂,其活潑性登峰造極,氧化也就成為了自然界的普遍存在。

    順便也說一說氫氣,兩個氫原子緊密結合在一起,就是參加化學反應也不會分開,如H2O。氫氣的兩個價電子形成了分子態的惰性氣體氦,所以惰性十足。

    結合元素週期表和氣體核外電子的重新排布,解讀了氧氣的活潑和氮氣的惰性,在邏輯上說服了自己,或者,這就是大自然的真實。

    2019、7、3

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