再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

第二章  第二节

2.2 化学键和分子

    在日常的化学中——包括生物化学，即发生在人类体内和其他生物机体中的化学反应——只是原子的电子层积极参与，原子核仅仅是乘客。有一些规则约束着电子的行为并因此决定着每种元素的化学反应性能。这些规则中的一条指出电子很喜欢结对。如果一个原子的所有电子都能在这个原子壳层内结成对子，那么这种元素通常反应性很低。氦就是一个例子（见图2.1），它在自然界中以单原子气体存在。相反，氢和锂原子在它们的壳层内有未结对的电子，因此它们有比较活跃的反应性。两个氢原子能够通过结合，共用一个哑铃形的电子轨道（化学术语为轨道），从而满足电子的喜好。这个共享的电子对在两个氢原子间形成一个化学键，这样就构成了一个氢分子（H2 ）。锂能够同其他原子发生类似的反应，然而两个锂原子不会形成一个稳定的分子。

     有些元素的原子在它们的壳层中有不止一个未结对的电子。例如，氧原子有两个，氮原子有三个。在氮气中，双原子氮分子中的所有电子都能够结对（N2）。为了表示这个分子中有三个共享的电子对或化学键，N2可以写成N三N，而H2由于是单化学键，所以用H-H表示。

     与氮气不同，分子态的氧（O2）无法使所有的电子都圆满地结对，它的电子结构可以写成，表示有一个稳定的电子对形成，而另外两个电子则用圆点表示依然“独身”。内部电子对的不同表明了氧和氮的反应性的明显不同。例如与氢气混合的时候，氮气只有在非常高的压力和温度的条件下才能与氢气发生反应，（脚注2）而氧气只需要火花就会与氢气发生爆炸反应，2 H2 + O2 → 2 H2O。反应的生成物就是水；水的化学健的结构可以写成H-O-H，这就是说，在这个分子中，氧的电子的结对需要都得到了满足。因此水是一种相当稳定的分子。氧气还能和碳发生反应，生成一种稳定的物质二氧化碳（CO2或O=C=O），并再次释放出能量，这与其他许多元素相似。氧气的广泛的反应性在熟知的燃烧和腐蚀的研究中表现出来。

     在未结对电子与化学反应性的关系中，不只氧分子是这样。下面我们将会看到电离辐射可以把本来稳定的原子和分子中的电子对拆散，从而变得容易反应。在探讨这个效果的生理学意义之前，我们将先介绍辐射和放射性的物理基础知识。

【脚注】

2，分子态的氮气和氢气在高压高温下发生反应——即3H2+N2→2NH3，用NH3表示氨——这就是哈伯-博施法，是工业化生产氮基肥料和炸药的重要方法。