浅谈无机化学中原子结构对化合物性质影响

尹红果

摘 要 在无机化学学习中，原子结构与分子结构是重点也是难点，对学生认知与理解物质化学性质，掌握相关联物质化学性质之间的关系具有重要现实意义。基于此，本文以碳（C）、硅（Si）原子为例，采用对比分析法，阐明原子结构存在的异同，并联系一氧化碳（CO）与一氧化硅（SiO），探寻了原子结构对化合物性质存在的影响，以供参考。

关键词 无机化学 原子结构 化合物性质

中图分类号：G642 文献标识码：A

0引言

原子结构与分子结构是无机化学物质结构教学中的重要组成部分，具有知识范围涉及内容广、专业性知识点多、抽象性强等特点。这在一定程度上增加了教师教学与学生学习难度。对此，在多年教学与实践经验总结上，从“物质结构决定物质性质，物质性质反映物质结构”视角出发，就原子结构对化合物性质的影响进行了简要分析，用以促进学生进一步认知与理解原子结构对化合物性质的影响，从而提升原子结构与分子结构学习质量与效率。

1原子结构——以碳（C）与硅（Si）为例

原子结构（atomic structure）又被称之为“原子模型”主要是指原子组成以及原子的部分搭配方式。自英国著名化学家与物理学家J.John Dalton（道尔顿）创立原子学说以来，关于原子及其结构的研究得到不断深入，出现中性微粒动力子模型（1902，Philipp Edward Anton Lenard）、汤姆孙原子模型（Lord Kelvin与William Thomson）、枣糕模型（以汤姆逊为代表的物理学家们）、土星模型（1903，长冈半太郎，）、太阳系模型、波尔模型、查德威克模型等眾多原子模型。原子结构相对较小，主要是由位于原子中心的原子核以及带电粒子共同组成，用关系式进行表达，构成原子结构的粒子数量关系式为：（1）质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）；（2）质子数=核电荷数=原子核外电子数=原子序数，值得注意的是：通常情况下，原子种类与中子存在密切关联性，原子质子数量与元素种类存在关联性，原子电子数与主族元素化学性质存在关联性。以碳（C）原子、硅（Si）原子为例，碳原子与硅原子在元素周期表中均属于第四主族（ⅣA）。其中碳原子的直径约为1.40pm，电子结构主要为“1S22S22P2”；硅原子直径约110pm，电子结构主要为“1S22S22P63S23P2”。由于碳原子与硅原子的原子族数都与主族原子夹的电子数相同，因此碳元素与硅元素在与其他原子向结合构成分子时，存在一定的相似性，即成键形式上，都可形成如下杂化形式：SP（C≡C；Si≡Si）、SP2（C=C；Si=Si）、SP3（C—C；Si—Si）。但是由于C与Si的最外层电子数不同，因此二者也存在较为明显的差异性。例如，位于元素周期表第三周期的Si相对于位于元素周期表第二周期的C而言，其主量子数较大，因此Si的价层电子距离原子核的距离要比C的远，阶层电子受原子核的约束越小。与此同时，碳与硅的共价原子半径、电负性（C为2.55，硅为1.90）也不同。

2原子结构对化合物性质的影响

就碳与硅的简单化合物而言，即一氧化碳（CO）、一氧化硅（SiO）皆是三重键分子（C≡O、Si≡O）。分子结构形成为直线形，结构中存在一个 键以及两个 键，其中 键主要碳原子或硅原子的中心原子与氧原子（O）以“首首连接”的形式构成了一个PX轨道，碳原子或硅原子的一个单电子进入到PX轨道与氧的一个单电子进行配对而成；一个 键则是由碳原子或硅原子的一个单电子进入到Pz轨道并与氧的一个单电子进行配对而成；另一个 键则是氧原子在Py轨道形成的孤对电子进入到碳原子或硅原子的nPy空轨道后形成的一个配位键。一氧化碳为中性气体，一氧化碳分子在水中的溶解度相对较低，常存在于水煤气中。而一氧化硅在常温常压下通常为黑棕色至黄土色的无定形粉末状态，一氧化硅分子在空气中的稳定性相对较差，易发生氧化反应生成二氧化硅。追其原因，发现由于氧原子的电负性为3.44，因此一氧化碳的电负性差为0.89，一氧化硅的电负性差为1.54，从而使一氧化硅成键的极性大于一氧化碳，一氧化硅中硅与氧的自然电荷也大于一氧化碳中碳与氧的自然电荷（约0.67）。在此背景下，一氧化硅的离子键成分相对较大，容易使SiO形成聚合物。对CO与SiO做进一步分析可知，一氧化碳的 轨道在C与O中所占据的比重分别为54%与48%，而一氧化硅的 轨道在O中所占据的比重要高于CO，从而导致SiO中的氧原子更具亲和力，SiO的 键热力学稳定性要低于CO。

3结论

总而言之，在无机化学学习中，关于物质结构（包括原子结构与分子结构）的学习占据重要比重，其目标在于使学生认知原子结构，并通过原子结构学习对原子核外电子运动情况、原子核外电子分布情况等具有一定的掌握，并在此基础上对分子结构、化学键等知识具有了解，从而认知物质结构对物质性质、物质反映的影响，激发物质结构学习兴趣，充分认知“物质结构决定物质性质，物质性质反映物质结构”这一理念，为后续物质结构知识深入学习奠定良好基础。

参考文献

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[2] 张忠，蒲亮，王文己.浅谈无机化学中原子结构对化合物性质影响[J].广东化工，2014，41（17）：195+182.