1、1第二节 共价键与分子的空间构型柯塞尔和路易斯化学键理论的开创者到现在为止，人们已经发现一百多种元素。这一百多种元素能够形成无数的化合物（人类发现和合成的化合物已超过 3000 万种） 。各种原子是以什么力量和什么方式相结合的，这历来是化学家关心的化学理论的核心问题。在 20 世纪以前，化学家曾用“化学亲和力” 、“原子价”等概念来表示原子结合的秘密，但是对其本质却谁也说不清楚。当卢瑟福的行星式原子模型及玻尔的核外电子分层排布理论提出后，化学键理论也逐步向前发展了。1916 年德国物理学家柯塞尔（Walther Kossel，1881-1956 年）提出原子的价电子理论。他认为：（1）必须用原
2、子结构理论，特别是原子的外层电子的得失来说明原子结合成分子的原因。（2）原子稳定的电子层结构是稀有气体（旧称惰性气体）的 8 电子结构。其他元素的原子都有获得或失去电子，以达到 8 电子结构的倾向，形成稳定的离子。（3）阴、阳离子间靠静电引力而形成稳定的化学键离子键。柯塞尔的理论成功地解释了典型金属和非金属相互作用形成离子化合物。虽然这个理论不能解释氢气、氯化氢和二氧化碳分子的形成，但他把离子化合物从化合物中区别出来，并用原子核外电子排布加以解释，是一大成功。同年，美国化学家路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875-1946）发表了原子和分子的论文，提出共价键的理论：（1）每
3、个原子由“核”和外壳组成，外壳由带负电的电子组成。（2）原子倾向于生成由偶数电子组成的外壳，通常是 8 个电子。（3）两个原子的外壳可以相互渗透，即电子可以进入两个原子的外壳并为它们所共有。以后美国化学家朗缪尔发展了路易斯的理论，提出了共用电子对可由 1 个原子单方面提供的新观点，这就是后来所说的“配位键” 。1923 年路易斯也提出电子对概念，还用电子式表示一些无机物和有机物的结构。例如：在上述电子式中，单键、双键和叁键分别用 1 对、2 对和 3 对电子表示。这种方法是路易斯首创，为化学家所赞同，被称为路易斯式，一直延用至今。这已足以表明，路易斯的共价键理论在化学史上所起的重要作用。2柯塞
4、尔、路易斯的化学键的电子理论，从原子的外层电子的运动中论述化学键的概念，迅速为广大化学工作者接受。科学家循着化学键的电子理论开辟的道路继续探索，建立了新的物质结构理论量子化学。正像布埃斯特说：“科学的界限就像地平线一样，你越接近它，它挪得越远。 ”科学是没有尽头的，人的认识也决不会停留在一个水平上，将永远向前攀登新的高峰。科学家发现碳 70 单晶具有超导性10 年前科学家首次观察到电子掺杂的碳 60 分子具有超导性。自那时起，科学家对富勒烯家族中的另一成员碳 70 做过多次实验，但始终未观察到它也具有预期的超导性。最近，美国贝尔实验室的科学家宣布，他们在研究中已观察到了电子掺杂的碳 70 所具
5、有的超导性，而且发现其超导转换温度大约为 7K。 据自然杂志报道，研究人员利用与制取碳 60 相同的方法制取了不足 1 立方毫米的碳 70 单晶体，然后在氙气中将晶体进行处理，发现晶体并没有与这种惰性气体结合。通过 X 光分析，科学家发现碳 70 单晶体是六角紧密堆积的六方晶体，其 c 轴和 a 轴比值为1.63。 在随后的实验中，研究人员又以金作电极、以氧化铝作绝缘膜，制备了一个超导绝缘超导的场效应晶体管。研究人员观察发现，这个场效应晶体管是 N 沟道晶体管，当置于一个强磁场时，晶体分子的最表层会聚集相当数量的自由电子。当温度超过 1.7K 时，含3 个自由电子的碳 70 分子显示出超导性。
6、而当温度为 7K 时，含 4 个自由电子的碳 70 的电阻开始下降，当温度为 6K 时，其电阻下降了一半。这表明电子掺杂的碳 70 开始由常态向超导态过渡。科学家认为，这一实验结果表明，富勒烯家族其它成员也极有可能具有超导性。此前3实验证实，电子掺杂的碳 60 最高转换温度为 40K，而此次测知电子掺杂的碳 70 的转换温度为 7K，这一变化正好印证了科学家的预言，即电子声子的偶合效应随分子曲率的增加而增加。那么，如果电子密度恰当的话，像碳 36 这样较小富勒烯的超导转换温度甚至应该高于碳 60。21 世纪的化学是研究泛分子的科学21 世纪的化学是研究泛分子的科学。泛分子的名词是仿照泛太平洋会
7、议(Pan Pacific Conference), 泛美航空公司 (Pan American Air Line)等提出的。泛分子是泛指 21 世纪化学的研究对象。它可以分为以下 10 个层次：（1 ）原子层次棗例如近来受到重视的碱金属原子的 Bose-Einstein 凝聚态。（2 ）分子片层次棗分子片是指组成分子的碎片，例如 1，2 ：一价分子片：CH 3, OH, Mn(CO)5, Co(CO)4，二价分子片：CH 2,NH,Fe(CO)4,Ru(PR3)4，三价分子片：CH,Co(CO) 3, NiCp 等。（3 ）结构单元层次棗例如芳香化合物的母核，高聚物的单体，蛋白质的氨基酸，DN
8、A 的A,C,G,T。 高级结构单元，如蛋白质的 helix,sheet 等。（4 ）分子层次棗研究分子层次的问题有如分子周期律，单分子光谱，单分子监测和控制，分子的激发态，吸附态等。（5 ）超分子层次棗超分子是二个分子通过非共价键的分子间作用力结合起来的物质微粒。例如环糊精-CD是一个分子，形似花盆 ,它的尺度略大于 C60 的直径，可以把 C60包进去，生成 1:1 和 2:1 的超分子。艾滋病毒 HIV 是一个生物大分子，其活性部位，形似环糊精，大小与 C60 十分接近，它们可以形成超分子。因此，C60 可以抑制艾滋病毒 HIV。环糊精分子还可作为主体，把其它小分子包在里面，又可作为客体
9、，插入 Zr(HPO4)2(H2O)晶体的结构层之间，组装成复杂的超分子体系。（6 ）高分子层次。（7 ）生物分子(biomolecules)层次。（8 ）纳米分子和纳米聚集体层次棗例如碳纳米管、纳米金属、微乳、胶束、反胶束、气溶胶、纳米微孔结构、纳米厚度的膜、固体表面的有序膜、单分子分散膜等。（9 ）原子和分子的宏观聚集体层次棗固体、液体、气体、等离子体、溶液、熔融体、胶体、表面、界面等。（10 ）复杂分子体系及其组装体的层次：()复合和杂化分子材料。() 分子器件，例如4在金丝尖端装上经过巯基化修饰的单层碳纳米管（SWCNT） ，可以作为 M 的针尖。又如分子导线、分子开关、分子探针、分子芯片、分子晶体管等。()分子机器，如分子马达在UV 光下，能通过 4 种同分异构体进行旋转，又如分子计算机等。( ) 宏观组装器件如燃料电池，太阳能电池等。
