初中物理大賽中常見鍵級的估算方式及應(yīng)用
周學(xué)興
湖北省宜昌市第二中學(xué)江西九江
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摘要
從實際教學(xué)角度探討中學(xué)物理大賽鍵級估算的幾種常見方式—定義法、p鍵鍵級貢獻估算、共振式法，淺顯易懂，可以為處在學(xué)校物理奧賽課程培訓(xùn)班主任及中學(xué)生提供新的視角。
關(guān)鍵詞
物理奧賽；鍵級；估算方式
《化學(xué)教育》2011年第4期田益民老師等老師撰寫的《化學(xué)大賽中的鍵級問題》和2012年第4期周昌勇老師撰寫的《用不飽和度估算鍵級的研究》閱讀后受到啟發(fā)，本文簡述了個人在中學(xué)物理奧賽課程教學(xué)中對鍵級估算的理解。鍵級描述分子中相鄰原子之間的成鍵硬度的數(shù)學(xué)量，表示鍵的相對硬度。鍵級越大，分子越穩(wěn)定，鍵長越短，鍵能越大，越不容易破裂。物理大賽中鍵級的考察，主要用于定性剖析鍵長的長短、強弱、物質(zhì)的穩(wěn)定性和推論微粒結(jié)構(gòu)式，在科學(xué)研究中，實驗檢測值常常可以用鍵級來解釋一些反常的情況。對結(jié)構(gòu)剖析過程中，采用以下方式。
定義法
1.1分子軌道理論
分子軌道理論對鍵級的定義：總鍵級=(分子中成鍵軌道電子總量-反鍵軌道電子總量)/2，即MO法[1]。總鍵級是所有原子間共價鍵數(shù)之和，對于四核分子，總鍵級即為原子間的鍵級。第二周期同核雙分子分子軌道及鍵級的對應(yīng)結(jié)果見表1。
常見異核雙分子分子軌道與鍵級對照表，見表2。
1.2八偶律與鍵級估算
八偶律是指一個由主族元素(H和He除外)組成的分子，其中每位原子都傾向于達到穩(wěn)定的8個電子的電子組態(tài)，本質(zhì)是主族元素，并提出了分子骨干的鍵數(shù)b=1/2(8n-g)[2]。基于EO法本文提出了借助價電子數(shù)估算鍵級的公式，對于短周期元素微粒，具有很強的實用性：
須要估算出電子位數(shù)、電子數(shù)、空位數(shù)方能估算出鍵級，其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的電子總量指各原子達到最內(nèi)層2電子或8電子的價電子總量。
1.2.1同核雙分子
1.2.2異核雙原子分子，設(shè)兩原子的價電子數(shù)分別為a1和a2。
1.2.3當對象是四核離午時：
雙原子微粒通過鍵級的估算可以簡單的推導(dǎo)入結(jié)構(gòu)式，但這是基于VB法得出的推論，難以解釋O2的順磁性，可通過分子軌道理論解釋存在單電子軌道。但非整數(shù)鍵級借助VB法可定性預(yù)測出微粒具有順磁性。
雙原子微粒結(jié)構(gòu)較為簡單，多原子結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可通過估算總鍵級，依據(jù)中心原子的價層結(jié)構(gòu)，推論或預(yù)測微粒的結(jié)構(gòu)。
1.2.4過渡元素通常不符合八偶律，產(chǎn)生共價鍵鍵級的估算可作類似的拓展，剖析如下：
主族元素：
過渡元素：
1.2.5按照EAN規(guī)則即18電子規(guī)則，估算碳基配合物的鍵級，有利于剖析配合物的結(jié)構(gòu)。非常多核配合物可以有效的借助中心原子滿價電子數(shù)與官能團提供電子數(shù)的關(guān)系
配合物是物理大賽中必考的內(nèi)容，而配合物的結(jié)構(gòu)書寫又是考查的重點，本文從鍵級估算的角度剖析了怎樣解決配合物的結(jié)構(gòu)書寫問題。
四核微粒，總鍵級即為原子間的鍵級；多核微粒的總鍵級仍可定義法估算高中化學(xué)競賽，若微粒是一個離域共軛體系，相同原子間的鍵級相同可簡單的平均化，NO3-和CO32-均屬于這種，即總鍵級乘以3即可，HN3并非完全的離域體系不能簡單化的將總鍵級乘以3，故須要具體物質(zhì)具體剖析。多核微粒的原子間鍵級估算多采用下述兩種方式。
p鍵的鍵級貢獻估算
p鍵構(gòu)建在s鍵的基礎(chǔ)上，在價鍵理論中，用成鍵原子間共價單鍵的數(shù)量表示鍵級，故路易斯結(jié)構(gòu)式可以挺好的解釋鍵級。路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫是中學(xué)物理大賽考題考查的熱點。
2.1定域p鍵
已知結(jié)構(gòu)式且不含離域p鍵的微粒可直接通過路易斯結(jié)構(gòu)式數(shù)出原子間的鍵級及總鍵級。淺顯的理解鍵級=物理鍵數(shù)。
2.2離域p鍵
離域p鍵對鍵級的貢獻并非100%，而是一個加權(quán)平均值。離域p鍵的路易斯結(jié)構(gòu)式存在共振式，故通常借助共振式的書寫，來估算離域p鍵對鍵級的估算，在此不贅言。本文采用的方式借助p鍵分子軌道電子排布估算鍵級。公式：s鍵數(shù)+離域p鍵鍵級的貢獻值。
對于離域p鍵分為直鏈共軛體系和環(huán)狀共軛體系兩種情況。
2.2.1直鏈共軛體系：
公式總結(jié)：含離域p鍵的兩原子間的鍵級=1+p鍵電子鍵級總貢獻/(a-1)，a為產(chǎn)生離域p鍵的原子數(shù)。分子軌道基態(tài)圖，見圖3：
2.2.2環(huán)狀共軛體系
2.2.3分子某兩原子間同時參與產(chǎn)生定域p鍵、離域p鍵
讀者可借助總鍵級除以已知原子間的鍵級來求得未知原子間的鍵級，本文不予贅言。
對于簡單的分子和離子均可用定義法和p鍵的理解估算方式進行簡單的估算，但對于較復(fù)雜的分子，存在一定的局限性。田益民等老師在《化學(xué)大賽中的鍵級問題》[3]一文中詳盡介紹了基于路易斯結(jié)構(gòu)式理論的共振式估算鍵級的技巧。下邊給以簡單介紹。
共振式法
該法對中學(xué)生路易斯結(jié)構(gòu)式的理解以及共振式的正確書寫要求較高，是對中學(xué)物理大賽生的一項基本能力的要求。借助此法解析鍵級估算有助于中學(xué)生正確書寫Lewis結(jié)構(gòu)、共振式。
應(yīng)用
例在月球的電離層中，可能存在下述離子：ArCl+、OF+、NO+、PS+、SCl+。請你預(yù)測哪一種離子最穩(wěn)定？哪一種離子最不穩(wěn)定？說明理由。
鍵級的考察，在全省小學(xué)生物理奧林匹克大賽(復(fù)賽)高考查不多，但鍵級的估算對于提高相關(guān)路易斯結(jié)構(gòu)式、分子軌道、共振式的書寫能力有很大的幫助。
本文主要探討了借助分子軌道估算鍵級的簡單定義法，并系統(tǒng)的剖析了常見四核微粒鍵級估算的物理公式；詳盡地解決了多核微粒鍵級估算的問題。估算鍵級還有好多其它方式，周昌勇老師[4]另辟蹊徑從不飽和度角度估算鍵級等等。本文從實際教學(xué)過程中探討了三種估算微粒鍵級的簡單方式，淺顯易懂，適宜中學(xué)生參閱并用于實際估算應(yīng)用，在實際理論基礎(chǔ)上似乎存在好多缺陷，有待建立，在此不深入贅言。
參考文獻
[1]上海師范學(xué)院等校合編.無機物理(下冊).第4版.，上海：高等教育出版社，2003,82-93
[2]潘道鎧,趙大成,鄭載興.物質(zhì)結(jié)構(gòu).第2版.上海：高等教育出版社,1989,150-187
[3]田益民,陳凱.物理大賽中的鍵級問題[J].物理教育,2011,32(4):76-80
[4]周昌勇.用不飽和度估算鍵級的研究[J].物理教育,2012,33(4):70-71,74
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