初中物理大賽中常見鍵級的估算方式及應用
周學興
湖北省宜昌市第二中學江西九江
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摘要
從實際教學角度探討中學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，可以為處在學校物理奧賽課程培訓班主任及中學生提供新的視角。
關鍵詞
物理奧賽；鍵級；估算方式
《化學教育》2011年第4期田益民老師等老師撰寫的《化學大賽中的鍵級問題》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，本文簡述了個人在中學物理奧賽課程教學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學量，表示鍵的相對硬度。鍵級越大，分子越穩定，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、物質的穩定性和推論微粒結構式，在科學研究中，實驗檢測值常常可以用鍵級來解釋一些反常的情況。對結構剖析過程中，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]?？傛I級是所有原子間共價鍵數之和，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結果見表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定的8個電子的電子組態，本質是主族元素，并提出了分子骨干的鍵數b=1/2(8n-g)[2]。基于EO法本文提出了借助價電子數估算鍵級的公式，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、電子數、空位數方能估算出鍵級，其穩定結構的電子總量指各原子達到最內層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，設兩原子的價電子數分別為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入結構式，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。但非整數鍵級借助VB法可定性預測出微粒具有順磁性。
雙原子微粒結構較為簡單，多原子結構相對復雜，可通過估算總鍵級，依據中心原子的價層結構，推論或預測微粒的結構。
1.2.4過渡元素通常不符合八偶律，產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規則即18電子規則，估算碳基配合物的鍵級，有利于剖析配合物的結構。非常多核配合物可以有效的借助中心原子滿價電子數與官能團提供電子數的關系
配合物是物理大賽中必考的內容，而配合物的結構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構書寫問題。
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鍵構建在s鍵的基礎上，在價鍵理論中，用成鍵原子間共價單鍵的數量表示鍵級，故路易斯結構式可以挺好的解釋鍵級。路易斯結構式的書寫是中學物理大賽考題考查的熱點。
2.1定域p鍵
已知結構式且不含離域p鍵的微?？芍苯油ㄟ^路易斯結構式數出原子間的鍵級及總鍵級。淺顯的理解鍵級=物理鍵數。
2.2離域p鍵
離域p鍵對鍵級的貢獻并非100%，而是一個加權平均值。離域p鍵的路易斯結構式存在共振式，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+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狀共軛體系兩種情況。
2.2.1直鏈共軛體系：
公式總結：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為產生離域p鍵的原子數。分子軌道基態圖，見圖3：
2.2.2環狀共軛體系
2.2.3分子某兩原子間同時參與產生定域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，但對于較復雜的分子，存在一定的局限性。田益民等老師在《化學大賽中的鍵級問題》[3]一文中詳盡介紹了基于路易斯結構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
該法對中學生路易斯結構式的理解以及共振式的正確書寫要求較高，是對中學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生正確書寫Lewis結構、共振式。
應用
例在月球的電離層中，可能存在下述離子：ArCl+、OF+、NO+、PS+、SCl+。請你預測哪一種離子最穩定？哪一種離子最不穩定？說明理由。
鍵級的考察，在全省小學生物理奧林匹克大賽(復賽)高考查不多，但鍵級的估算對于提高相關路易斯結構式、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，適宜中學生參閱并用于實際估算應用，在實際理論基礎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.物質結構.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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