泛原子:修订间差异
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'''泛原子''',是一种介于原子和原子团之间的物质,有些泛原子是一种特殊的元素,称为泛原子元素。其结构为一个或几个常规原子核埋藏在由大量质子组成的质子云中,电子在这些质子云中运动。 | |||
泛原子得到或失去若干个电子就是泛离子,比如 | 泛原子得到或失去若干个电子就是泛离子,比如[Sb<sub>4</sub>]<sup>2+</sup>。[[超盐酸]]根Cl<sub>10</sub><sup>10-</sup>其实也是一种泛离子,但由于它的不稳定性(超强氧化性)和一些其他的特殊超理性质,一般不把它作为泛离子进行研究。 | ||
泛原子和普通原子以共价键或配位键相连,组成泛性分子或泛性原子团。 | 泛原子和普通原子以共价键或配位键相连,组成泛性分子或泛性原子团。 | ||
一般 | == 机制 == | ||
一般所说的泛性分子或泛性物质,就是那些以[[魔键]]为主,以化学键为辅的超理物质。 | |||
有的泛原子/离子很稳定(这里稳定指质子轨道很稳定),有的只是作为中间产物,很不稳定。下面只讨论稳定的泛原子。 | 有的泛原子/离子很稳定(这里稳定指质子轨道很稳定),有的只是作为中间产物,很不稳定。下面只讨论稳定的泛原子。 | ||
在泛原子中,质子云中存在两种力:将质子分开的电磁力和将质子聚拢的强相互作用力。它们相互平衡,除非锑场发生大幅度变化,否则泛原子的质子云状态不会发生改变。但由于强相互作用力的作用范围受锑场强度影响,每一种泛原子都有一个适宜锑场范围,锑场强度高于或低于该范围,泛原子都会分解或转化为其他泛原子。 | 在泛原子中,质子云中存在两种力:将质子分开的电磁力和将质子聚拢的强相互作用力。它们相互平衡,除非[[锑场]]发生大幅度变化,否则泛原子的质子云状态不会发生改变。但由于强相互作用力的作用范围受锑场强度影响,每一种泛原子都有一个适宜锑场范围,锑场强度高于或低于该范围,泛原子都会分解或转化为其他泛原子。 | ||
相比之下,泛原子中的电子才是决定 | 相比之下,泛原子中的电子才是决定其特殊化学性质的关键。泛原子中电子的轨道和一般原子或原子团都有很大差别。根据锑星科学家[[赵锶钡]](他是泛原子理论的创始人)于锑宙标准历2359年提出的看法,泛原子电子轨道存在下列现象:(以单核泛原子为例) | ||
#因为泛原子中,只有少数正电荷位于核中,所以电子主要受到质子云的吸引。 | |||
#质子云在核外一个球形区域内几乎均匀分布。越靠近内部的电子,受到的吸引力反而越小(接近核的电子除外)。在球形区域边缘,电子受到的吸引等效于一个电荷等于整个泛原子所有质子的、位于中心的点电荷,这是吸引力最大的地方。 | |||
#这使得泛原子电子倾向于两种轨道:一种分布在核附近(内层轨道),又分为(a)单独绕核和(b)在核与质子云层之间形成共价键这两种。另一种则是分布在质子云外围(价层轨道),其电子云部分与质子云重合,部分在质子云外。第二种轨道可以参与泛原子和其他物质的反应。这样就形成了从内到外径向平均电荷“正—负—正—负”的结构(如图),这种结构被称为泛原子的复双层结构(因为电子和质子都是2层)。[[File:泛原子结构.jpeg|thumb|220x220px|注:图中绿色表示负电荷,红色表示正电荷]] | |||
#泛原子中的电子同样遵循泡利不相容原理和洪特原则,但电子轨道的能级发生了巨大变化。以Sb<sub>4</sub>为例,如果把它的泛原子轨道当作第204号元素的原子轨道来看,那意味着(从量子数来看)对应7f,6g,9s以及8p,7d甚至6f的轨道都位于差不多的能级上,能级相差之小以至于出现电子自旋平行现象。这种大规模的能级趋同现象有点类似于杂化,不过它不是由于外界改变引起的杂化,而是泛原子内部特征造就的现象,因此被称为泛原子价层内杂化。这样产生的轨道便称为泛原子轨道(对应于原子轨道和分子轨道)。 | |||
#大规模的相同能级也造就了泛原子电子的一种特性:在化学反应中不要求某能级填满,甚至不要求半满,基本上就看质子云和外界物质谁能拉到电子。 | |||
其中最后两条是泛原子轨道理论(该理论同样由赵锶钡建立)的基础。 | |||
注意:上述5条论述基于单核泛原子,对于多核泛原子来说,部分条目略有改动。 | 注意:上述5条论述基于单核泛原子,对于多核泛原子来说,部分条目略有改动。 | ||
== 类型 == | |||
泛原子有以下一些分类方式: | 泛原子有以下一些分类方式: | ||
*按稳定性分:稳定泛原子和不稳定泛原子(我们讨论的都是稳定泛原子)。稳定泛原子在反应中可以被看作一个体积非常大的原子。 | |||
*按结构分:单核泛原子(一个原子核被一片质子云环绕)和多核泛原子(多个原子核被同一片质子云环绕). | |||
*按氧化性分:氧化性泛原子、还原性泛原子和惰性泛原子。氧化性泛原子主要以负价存在、还原性泛原子主要以正价存在、惰性泛原子主要以零价存在。 | |||
===还原性泛原子/泛离子=== | |||
通常成正价,因为动力学原因很少形成自由离子。往往与氟、氧、氯等强电负性原子成键,有时,它们之间成的键几乎是离子键(有时也可以成共价键),但在熔融状态下也不分离(有时也能形成硫酸盐、硝酸盐和氟硼酸盐,但即使是氟硼酸盐也不分离)。虽然目前没有在含还原性泛原子的化合物溶液中发现单独的还原性泛离子,但由还原性泛原子和氟、氧、氯等元素构成的酸根已经发现了50多种(基本都是H0小于-15的酸),由于泛原子体积很大又有大量能级相同的价电子,一个泛原子同时与20个氟原子成键都不是问题。 | |||
有一些还原性泛原子(不是离子)可以游离存在,其形态类似于类金属或金属单质。 | |||
===氧化性泛原子/泛离子=== | |||
通常成负价,也可能成正价,同样很少形成自由离子。与氢、硼和IVA、VA、IVA、VIIA族(氮、氧、氟、氯除外)有很强的亲附性,容易和这些原子成共价键。 | |||
有一类泛原子称为拟卤素泛原子,通常呈-1价,也可能成正价,可以形成双原子分子,也能与其它原子/泛原子形成酸根。 | |||
== 命名 == | |||
===系统命名法=== | |||
将核用对应的元素表示,加上中括号,有多个核以逗号隔开;后面写上质子云的质子数,也加上中括号。比如:[Sb][p<sub>153</sub>](读作:一百五十三质合锑)表示一个51质子的原子核外面有153个质子组成的质子云。 | |||
对于超过3个核的泛原子,要标明核的排列方式,标在第一个中括号的后面(下标)。有以下一些下标: | |||
*L:直线排列,此时方括号中各个核的顺序就是按照泛原子中核的排列顺序。比如:[Sb,W,Sb]L[p<sub>176</sub>],钨核在中间;[Sb,Sb,W]L[p<sub>176</sub>],锑核在中间。 | |||
*T:三角形排列。 | |||
*P:四面体排列,如果四个核都不相同,则用PR,PS标明手性。 | |||
*Cn(n>3):卫星型排列。一个核在中间,剩下的环绕在其周围,一般环绕的核都相同。比如C3就是{{Chem|BF3}}型结构,C4就是甲烷型结构,C5就是双角三棱锥形结构,C6就是{{Chem|SF6}}型结构。中心原子核写在最前面。例如:[No,Fe,Fe,Fe,Fe]C4[p<sub>260</sub>],这是[[七碲化锘]]分子在5~30Zmy锑场,200~600K温度时的结构(没写错,是铁原子核,不信你数一下总质子数)。 | |||
===普通命名法=== | |||
对于某些常见的稳定泛原子,可以直接用合成泛原子的反应物加上中括号表示泛原子,必要时还可以在中括号后面加上一个小括号表示质子云。对于部分泛原子,还有三到四个字母的元素符号简称(通常是那些极其稳定的泛原子,我们下面详细讨论的都属于此类)。比如前面的[Sb][p<sub>153</sub>],可以写成[Sb<sub>4</sub>]或[Sb<sub>4</sub>](153)或Sbq,读作四聚锑或魔化四聚锑。 | |||
== 常见物质 == | |||
=== [Sb<sub>4</sub>] === | |||
[Sb<sub>4</sub>]在锑星标准环境下,就是以泛原子的形式存在,中间是一个Sb核,周围有153个质子构成的质子云和204个电子,若干中子。<ref>https://tieba.baidu.com/p/6831825722</ref> | |||
泛原子的 | === 四锑合钙 === | ||
四锑合钙[CaSb<sub>4</sub>]或Sbc,系统命名法[Sb][p<sub>173</sub>]。也被称为[[铠]]。还原性泛原子,可以在锑场强度1.4~45Zmy的环境存在。常见化合价+3,+4,+5,+6,+7,+8,+9。游离态是一种有金属光泽的银白色固体,称为金属铠,熔点1021°C(1atm)。导电性好,电阻率2.1×10<sup>-7</sup>Ω·m。 | |||
在含氧空气中极易被氧化生成一层粉色的氧化膜:五氧化二铠(Sbc<sub>2</sub>O<sub>5</sub>),它不溶于水,溶于强碱性溶液。在含氟空气中自燃生成SbcF<sub>8</sub>粉末(黄色)。在氯气中燃烧则生成SbcCl<sub>5</sub>(蓝紫色)。SbcF<sub>8</sub>与O<sub>2</sub>F<sub>2</sub>在电弧或紫外线照射下可以生成SbcF<sub>9</sub>(橘红色)或SbcF<sub>10</sub>(血红色)。还可以和氮气在400°C反应生成SbcN。 | |||
在NaOH中缓慢溶解并发生反应: | |||
Sbc<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+5H<sub>2</sub>O+6HO<sup>-</sup>→2Sbc<sub>8</sub><sup>3-</sup> | |||
也能溶于浓HCl并发生反应: | |||
Sbc<sub>2</sub>O<sub>5</sub>+14HCl(浓)→2H<sub>2</sub>[SbcCl<sub>6</sub>]+Cl<sub>2</sub>↑+5H<sub>2</sub>O | |||
还能溶于[[氟王水]]发生反应: | |||
3Sbc2O<sub>5</sub>+2HNO<sub>3</sub>+48HF→6H<sub>2</sub>[SbcF<sub>8</sub>]+2NO↑+19H<sub>2</sub>O | |||
==== 铠钾 ==== | |||
该元素与钾的化合物非常坚硬,强度极高,韧性极强,故有极强的防御力。被锑星用于铠甲的成分。 | |||
====[Sb][p<sub>173</sub>]为什么可以被称为[CaSb<sub>4</sub>]==== | |||
这个问题看起来不大,其实是一个很大的问题。首先,这个物质只有一个锑核和173个云中质子。其次,它不一定要靠4Sb+Ca=锑场=[Sb][p<sub>173</sub>]这个方式合成,也可以用其他原子。既然可以被称为[CaSb<sub>4</sub>],那完全可以说它是[Nd<sub>3</sub>Ru](173),或干脆[H<sub>224</sub>](173),总之是51个核内质子和173个核外质子就行了。 | |||
但是,事实并非如此。首先,[Sb][p<sub>173</sub>]有一个性质:无论在什么条件下,降低锑场强度直到0,该物质都会以[Sb][p<sub>173</sub>]==4Sb+Ca的方式分解。在泛原子理论出现之前,人们也一直认为该物质的真实结构就是CaSb<sub>4</sub>。因此,虽然实际结构中不含Ca原子核,我们依然认为该物质含有一个“隐藏”的CaSb<sub>4</sub>结构,更准确的说法是该物质有形成CaSb<sub>4</sub>的趋势。 | |||
这就是一个泛原子能否使用普通命名法的必要条件:在降低锑场强度时,无论降低锑场强度的速率如何,该泛原子都能分解为相同的原子。[Sb][p<sub>173</sub>]符合这一条件,因此我们可以理直气壮地说出[CaSb<sub>4</sub>]这个名字。由于[CaSb<sub>4</sub>]实在太过重要,我们又给了它一个像原子一样的名字——Sbc。 | |||
这就是一个泛原子能否使用普通命名法的必要条件:在降低锑场强度时,无论降低锑场强度的速率如何,该泛原子都能分解为相同的原子。[Sb][ | |||
为什么有许多泛原子都具有这种“稳定分解”的特性呢?赵锶钡在2367年成功地解决了这个难题,他也因此获得锘贝尔超理学奖。这个问题的答案叫做“泛聚核理论”,我们之后再详细讨论。 | 为什么有许多泛原子都具有这种“稳定分解”的特性呢?赵锶钡在2367年成功地解决了这个难题,他也因此获得锘贝尔超理学奖。这个问题的答案叫做“泛聚核理论”,我们之后再详细讨论。 | ||
总之,[ | 总之,[CaSb<sub>4</sub>]有不止一种合成方式,但只有一种分解方式。用这种方法也可以将其他原子核转变为Ca和Sb原子核,是一种特殊的核反应。这种通过泛原子生成和分解实现的核反应叫做泛化核转移。这些可以稳定分解的泛原子也被称为正规泛原子。 | ||
</ | ====应用==== | ||
最近发现Sbc在纳米材料工程上也很有用。用气相Sbc与稀薄的氧气反应可以产生直线形SbcO<sub>2</sub>分子,分离出来后,作为催化剂可以直接让石墨烯卷成碳纳米管。利用Sbc发现了一种特殊的物质——球碳硅,在气相中让Sbc和C,Si化合,结果产生了包括(iSbcSi<sub>56</sub>C<sub>56</sub>)<sup>3+</sup>在内的多种包藏着Sbc的由C和Si共同构成的结构。(iSbcSi<sub>56</sub>C<sub>56</sub>)<sup>3+</sup>离子,其中的Sbc可以在弱锑场中分解,分解产物可以离开碳硅笼,留下单独的Si<sub>56</sub>C<sub>56</sub>球体。类似的,很多还原性泛原子都可以催化大型球状分子合成,并通过减弱锑场使泛原子分解并离开球体。锑星科学家[[王硝盐]]通过这种方式合成了100多种新型球状分子(都含有非碳原子),并将其应用于纳米材料和超导体,他因此获得[[挪杯儿奖]]。 | |||
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==参考文献及注释== | |||
[[Category:超理理论]] | |||
[[Category:泛原子]] |