晏成和
结构元-自然奥秘的重大发现
2021-5-7 18:33
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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。

化学书.jpg

                   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。

金属结构元.png

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

相变.png

                  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


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