原子之間的愛情,你是否還記得原子之間是怎樣吸引組成分子的

2020-12-04 李論科學

我們整天研究宇宙,看量子力學,說相對論,可不能把最基本的知識都忘了,我相信有很多小夥伴已經講不出為什麼原子之間會互相吸引組成分子?時間太久遠已經忘了。所以今天就補補課。先看元素周期表。

神奇的數字8,電子在核外怎樣排列

原子最外層電子稱為共價電子,而共價電子的數目決定了一個原子的需求。當時,我們所學習的大多數原子都有個神奇的數字8。最外層不滿8個電子的原子,寂寞而不滿足,它們想跟別的原子結合,因此會把彼此最外層的軌道混在一起,共享共價電子。

電子如何在原子內排列,這時「最外層的軌道」才有了意義—它就像是原子的外皮。周期表上的原子數越大,就表示原子核內有越多質子和中子,也表示需要更多電子,才能保持電荷的平衡。每一種原子的電子排列都傾向於以下原則:前兩個電子所佔的軌道最靠近原子核。然後,下一層要用8個電子填滿,再下一層一樣需要8個電子,如此接續下去。這你還記得吧?

氯原子和氫原子的愛情

氖,原子序18,在最靠近原子核的軌道裡有兩個電子。下一層,有8個電子。第三層,再上加8個。氖完成了「2-8-8」的電子配置,而且不需要更多電子,十分愉快滿意。氯,是氖在周期表的左邊鄰居,原子序17。這表示它的核心有17個質子,外頭還有17個電子圍繞著它。氯的電子從內到外的配置是「2-8-7」個。哦,外層軌道並沒有填滿8個。氯很想再得到一個電子。有誰外層是一個電子的?就是它,寂寞的、小小的氫原子穿著夏天的洋裝坐在門廊,夢想有原子把它帶走。一旦氯開著超跑飛馳而過,氫就被電到了。

氫原子伸出纖纖玉腿,用它的電子軌道纏繞著氯原子,十分願意拿最外層的一個電子和氯所擁有的七個共享。他們彼此都很滿意,一生都守著八個共價電子的關係—這就是共價鍵:原子彼此共享電子,好讓外層填滿。周期表的每一欄(又稱為「族」),各自具有相同的鍵結特性,這有助於我們當個現成紅娘,幫它們找到理想的另一半。

熱情的原子,來者不拒

周期表最左邊,也就是第一欄的最上方,寫著第一族。氫和它下方一整欄的好朋友,全都有著閃亮的外表,而且溫柔可人(金屬光澤和絕佳的柔軟度)。它們的最外層軌道只有一個電子,不喜歡落單的個性,使得它們在鍵結時有點嗯哼,不挑。它們只希望有人愛,但它們的愛來得快去得也快。

周期表的第二欄,第二族,包含了長期受到忽視的鹼土族。它們最外層軌道有兩個可用的電子,和第一族一樣樂於分享。第二族的原子很努力地想高攀比如氧原子,好讓最外層的電子軌道填滿。

高冷的過渡金屬,很挑剔

從第三欄到第十二欄,每一欄的人丁都比較單薄,是所謂的過渡金屬,但這稱呼可騙不了人,是不是啊?我們只在乎第十一欄的金屬——銅、銀、金。它們是金屬群中的明星:可延展夠強韌,而且美麗又實用。它們從土裡挖出來,和其他沒那麼耀眼的原子分離,因為純粹的時候最美。這些漂亮的傢伙讓其他金屬相形失色;不過這也不能怪它們。因為它們不容易生鏽,也難以偽造,雖然有一個或兩個電子可以分享,但要看上門的是誰,以及如何提出邀約。它們令人著迷,即使邀請也不會正面響應,但正因為如此,才大受歡迎。

穩定的原子,性情憨厚

第十三到十五欄,隊長分別是硼、碳和氮。它們可以形成很棒的共價鍵。它們知道怎麼跟其他人交往、共創家庭、組織早午餐聚會。硼族擁有三個共價電子,碳幫有四個,氮小隊則有五個。它們只需要再多幾個電子就可以湊滿八個。這幾個團體裡的原子一個個長袖善舞,它們是原子圈裡的重要成員,和第一欄、第二欄那些來者不拒的傢伙不同。

花心的原子,性情火爆

第十六和十七欄,隊長是氧和氟,外層分別擁有六個和七個電子。它們很清楚自己常常跟不同的原子交往,這讓它們對自己滿懷信心,並且覺得是件順理成章的事。他們樂於分享自己的電子,不過生性火暴(嗯,真的會爆炸),而且要求很多。

性格孤僻的原子,獨善其身

周期表最右邊,你總算遇到一整欄不需要任何電子的原子惰性氣體。它們的最外層有滿滿8個電子所以不想和別人結合,也只想獨善其身。其他原子認為惰性氣體很無趣,但是,誰在乎呢?氖、氬,還有周期表右側的其他原子,就像是原子世界的狄更生與特斯拉:聰明、多產、孤獨。

我相信你這會肯定回憶起學生時期的同桌,同學甚至是那段轟轟烈烈的愛情故事。原子也跟我們一樣,經歷著愛情和分離,它們性格各異,組成了我們形形色色的世界。

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