作用力定律、路以士結構及共振

講座二

McBride教授遵循牛頓的想法，以尋找描述化學鍵結的作用力定律為開場。不論是正比（虎克定律），或反比（庫侖力，引力）於距離，都需以莫斯位能理論將其整合在一起。G. N. 路以士根據電子的新發現，制定了「立方體－八隅體」理論，並將其發展為共享電子對模型，用以解釋鍵結。討論過路以士點符號和形式電荷後，McBride教授解說了在某些「單一最小值」例子中，路以士結構理論有所不足，補救之道必須透過令人困惑...

講座二：作用力定律、路以士結構及共振

    Michael McBride教授：好，現在開始上課。上堂課我們提到了一個重點問題，就是原子和分子存在嗎？我想答案是，沒錯。什麼力量使原子結合在一起？因為如果我們真正理解了結合它們的力量，我們就解決了所有的化學問題。所以，當談論到關於力的問題，首先可以追溯到牛頓和《數學原理》。他擁有，或說是他發展了這個想法，在引力的數學問題上。有意思的地方在於，它沒有任何機械裝置，之間沒有彈簧或線連接，這是有一段距離的作用。 所以還有一些其他觀點。例如說，笛卡爾認為引力來自於斥力的阻斷。宇宙充滿環繞粒子和爆炸現象，就像月亮會被來自四方的粒子轟擊，但其上沒有淨作用力存在，因為都被相互平衡抵銷了。不過，如果你把地球置於其間，那兒就會被阻擋，則從右側撞擊月球的粒子會比從左側而來的多，因此，看起來粒子就像是被地球所吸引。所以這是一個偉大的機制。對牛頓而言，重要的是該作用力與r^2（距離平方）成正比，嗯，是與r^2（距離平方）的倒數，1/r^2成正比。在這個例子中成立嗎？如果你將地球向後拉，情況會如何改變？你說什麼？ 學生：我不知道。它不成立。 Michael McBride教授：它不成立？如果你將它向後拉，它會阻擋更多還是更少粒子？ 學生：更少。 Michael McBride教授：少了多少？假設你將它向後拉兩倍距離，對撞擊月亮粒子的阻擋會少多少？ 學生：不是r^2（距離平方）嗎？ Michael McBride教授：是1/r^2（距離平方的倒數）。你可以思考一下。因此，在這方面是成立的。那麼－你知道引力正比於物體的質量，這如何計算出來？你們可以自己思考一下，好嗎？但無論如何，還有其他的看法。但牛頓所思考的不是關於它的機制，他思考的是定律。就是它與 1/r^2（距離平方的倒數）及質量成正比。 在 1717年， 他出版了第二版的《光學》。他在1704年出版了第1版。他在1704年出版這本書的理由是，虎克於1703年去世。他事實上－牛頓在1660至70年代就已完成這項工作，但他沒有出版這本書，直到虎克死後。因為他不願虎克插手他的研究，並且批評它。但在1717年的第二版中，他附加了一些內容。你們看，「附加內容」。而所附加的內容，即使這本書是關於光學，但其所附加的內容卻是關於化學的。而在書的最後，提出的不是假設，而是問題。因為信仰培根哲學的人，追隨法蘭西斯‧培根，不做假設，但他們可以提問。因此，這裡列了一些問題。問題 31，大部分與化學有關： 「物體的微粒是否確實具有影響力、效力或作用力，可作用於一段距離，其不僅能使光線反射、折射和彎曲，也能藉其交互作用，產生大部份的自然現象？」（這是指粒子間的引力或斥力）「眾所周知，物體間的交互作用，是藉由重力、磁力、和電力的吸引力，這些例子顯示了自然的要義和規律。它並非不可能發生，但可能存在著比這些更強大的引力。大自然本身是非常和諧一致的。這些引力可能如何產生，在此我不做考慮。我所謂的引力可能產生於脈衝…」 他從哪裡得到這個想法？他從哪裡得到脈衝造成引力這個想法？ 學生：（無聲）。 Michael McBride教授：那是笛卡爾的想法，就是我們剛剛所解釋的那些。「…或來自於其他一些我不知道的方式。我在此使用了這個字彙，代表任何一種使物體趨向彼此的力，無論它是如何產生的。我們必須向自然現象學習，物體如何相互吸引，引力的定律和特性是什麼，在我們的探索引力產生的原因之前」（所以你先得到一個定律，然後可以用數學做運算，然後再擔心它如何運作。） 「重力、磁力和電力的引力，可在一段相當距離發生作用…」（他不是指理論上來說，而是指你可以感受到）「…也已被我們平凡的雙眼觀察到」（你可以看到隔著一段距離，靜電引力發生作用，還有明顯的重力及磁力。）「可能還有其他力能在這麼短的距離產生，以致至今尚無法觀察到。也許電可以在如此短的距離產生引力，即使不需由摩擦所引發。」（所以你知道，摩擦能產生靜電，那會促使物體產生引力。但即使沒有摩擦，你可以藉由電使物體在很短的距離產生引力。）「同質性硬物彼此完全接觸，緊貼在一起」你曾有過把兩個非常扁平的東西放在一起，卻很難將它們分開的經驗嗎？什麼？ 學生：玻片。 學生：小物體。 Michael McBride教授：顯微鏡的載玻片。曾經將新的顯微鏡載玻片分開過嗎？很難將它們分開「為了解釋可能原因，有些人發明帶鉤原子理論，這是在前提裡預藏結論。有人說，物體因靜止而相黏著，藉由超自然的性質，或不依靠任何力量。也有人說，它們藉由共同運動緊貼在一起，這是物質間的相對靜止狀態。」（這是其他一些有點複雜的理論，我們不需深入探討。）「我傾向於由它們的內聚力來推斷。這些粒子藉由某種力相互吸引，這種力在直接接觸中是特別強的。在小距離中表現出前述的化學現象，並在離粒子不遠處產生相當的效應」（所以，非常短的距離，非常強的吸引力）「…離粒子不遠處產生相當的效應」。 因此，也許比1/r^2更大。1/r^2，當 r 非常小時，改變的非常快。但也許這個定律與距離的關聯性更大。若是如此，則只有在真正非常小的距離成立。「引力」（他是指以一層柑橘油將玻璃板隔開。所以你知道，在顯微鏡載玻片上，他們滴一小滴某種物質，將它們粘在一起，它們就很難分開。）「也許依比例變大」（指引力）「並繼續增加其厚度，但不超過單一油粒子」（想像一下牛頓，350年前或300年前，想想單一油粒子，他怎麼有辦法測量？我們稍後會考慮這一點。Okay。）「因此，大自然原動力能使物體的粒子，藉由非常強的引力結合在一起。實驗哲學的工作就是找出它們」這就是我們需要找出的，是什麼將這些粒子結合在一起呢？「實驗哲學」就是科學。而我們將致力於這項工作，我們將需要約 5 周的時間，以瞭解是什麼使這些物質結合在一起。 現在，讓我們從物理學的觀點來看。你從各種不同定律得到的結合能中，首先是庫侖定律，即電荷可於一段距離產生作用力，我想你們都知道這個。還有磁交互作用，兩個磁偶極間能量正比於1/r^3，下降的非常迅速。還有「強」的鍵結，使原子核中粒子結合在一起。當然還有引力及化學鍵。我們在此課程中，所使用的能量標度是舊制的千卡/莫耳，這是在美國有機化學中習慣使用的單位，將來它會改為千焦/莫耳，但我仍習慣使用千卡/莫耳。Okay，這是一個對數標度，因此它涵蓋的範圍非常廣。 先談庫侖力，如果有一個質子和一個電子，其相距大約是碳－碳原子間的鍵距，其能量為216千卡/莫耳，位在標度正中間，或中點附近。磁交互作用力就微弱很多。如果有兩個自旋電子，相距同樣的距離，其能量是多少？能量小了一，二，三，四，五個數量級，小了10^5倍。使質子和中子結合在一起的「強」鍵結，可見於氘原子核中，這是在原子核內，而不是相距1.54埃，比庫侖力強 10 ^ 5倍。而引力就微弱得多。如果有兩個碳原子，相距這麼遠，能量將是10 ^ -32千卡/莫耳。所以談到使物質結合在一起的力時，我們排除引力作用。這樣的話，庫侖力範圍就上下延伸了5個數量級。 再來，化學鍵是什麼？其鍵能有多強？化學鍵約－ 碳－碳原子間的鍵能約為90千卡/莫耳。因此，與庫侖力及靜電引力差不多。因此，也許這暗示靜電引力與其相關。但也許不是，也許是某種全新的力。此外，我們還沒有談到動能。那是否與鍵能強度有關？稍後我們會回頭來討論這一點。Okay，是否存在著牛頓所尋找的化學作用力定律？這是一個有趣的表達方式。假設有一條原子鏈，原子在一條線上一個個相互銜接，然後開始拉長它。它會伸展，並在某點斷裂。 現在，我們拿三個原子，並將硬桿連在外面的原子上，開始拉長它。因此，它會伸展，伸展，伸展，再伸展，然後斷裂。現在問題是，在它斷裂前可伸展多少距離？什麼因素決定了，在它斷裂前可伸展多少距離？Okay，這必定與原子間的作用力定律相關，也與分子結構相關。因此，它會像彈簧，即虎克定律。Ut tensio sic vis（伸展量和力成正比）。Okay，力正比於位移，而能量是位移的平方，因此能量，即位能，是一個抛物線。在標準長度時，我們定義其為零，或說是未伸展的距離，然後伸展或壓縮它，則能量變大，以抛物線型式。現在，這個抛物線的斜率說明了什麼？ 學生：作用力。 Michael McBride教授：作用力。這是線性的。當我們不斷伸展它時，斜率變大，力正比於位移。Okay，可能還有其他作用力定律，如電荷、庫侖力，或引力，所以這是一個不同的作用力定律，平方反比力定律，而能量正比於位移。以這種方式，所以這是相當不同的，請注意這張圖的位能零點，標示在頂端－位能零點定義為，當它們相距很遠時。而這張圖的位能零點為，當其相距為標準距離時。因此，你將帶相反電荷的粒子放在一起，當它們非常靠近時，能量無限下降。Okay，現在看看在這裡的力，當向外延伸時，力變小，斜率也跟著變小。 現在，假設有一個粒子連接在彈簧兩邊，我們將這個彈簧鏈伸展。為了整體性，我用第二條鏈來說明－啊，我這裡說較強，事實上是指較弱的力，它上升得不那麼迅速，我會修改一下。Okay，但在某一點上，紅色和藍色曲線的斜率，在某個距離、某個位置上，將會相等，但方向相反，就是那裡。Okay，在那點上中心粒子的力為何？ 學生：零。 Michael McBride教授：零。它們達成平衡。如果我們將這兩個能量相加，會得到在中心粒子上的總和，看起來像這樣。因此有一個平衡的最小值，當粒子在鏈中心某個特定位置時，就固定在那裡，且很難移動，但可以振動。Okay?那麼，在其他情況下會如何？如果是電荷或引力之類，平方反比定律的作用力，將物質結合在一起？第二種情況會像那樣，這一種力確實更強。 物體在兩側，我們感興趣的是兩者間中點的位置。再次的，它們在某一點達成平衡，就在那點上，其斜率是相等且相反的。這與第一種情況有何不同？當我們將這兩條曲線加在一起時，會發生什麼情況？這看起來會比較像，或比較不像左邊這張圖？ 學生：（無聲） Michael McBride教授：看起來會像這樣。中間沒有平衡的最小值，這裡沒有一個粒子僅固定在那裡的位置，因為它會受到更強的影響力及吸引力，來自於離它較近的物體上。也有一些位置作用力為零，但並不是一個穩定的位置，因為它只要稍微移動一點，就會繼續移動。所以，這個是－兩者相較，一個有單一最小值，這個則有雙重最小值。早期的學生曾有個競賽，如果你贏了，就可以在這門課程得到A。競賽是這樣的，有一個磁鐵掛在這裡，我把它停住。Okay，這裡有兩個磁鐵，一側有一個。如果我做對了，它會固定在那裡，兩者間的引力會使它平衡。所以，我把它放在這裡，試圖得到A。我抓住這條繩子使它能在這裡平衡。啊！Okay? 沒有穩定的位置。沒有人以這種方式得到過A。對嗎？因為它遵循反比定律，所以總是受到離它較近物體更強的吸引力，所以你贏不了，因為無法達到平衡位置。現在，我把這些拿開，再回到課程中。 因此，以彈簧模型，你可以由核心原子製造出穩定的多原子分子。我們之前看過彈簧模型－在上次的講座中－但這對離子來說不適用，對磁性物質也不適用。總之，虎克定律不適用於此。－這必定不屬於彈簧模型，因為虎克定律是不會被打破的。因此，我們需要不同的作用力定律。是否有人知道一種作用力定律，它看起來就像是－原子間的作用力形式，或使鍵伸展的能量。你見過這樣的圖形嗎？ 學生：（無聲） Michael McBride教授：這就是所謂的莫斯位能圖，或其中一種形式，稱之為莫斯位能。它並非某種基本圖形，也不是一種自然定律，而是由一位普林斯頓物理學家於1929年想出來的，因為它有數學上使用的方便性，使用莫斯位能可以解決量子力學問題。這個構想是這樣的。有兩個相鄰原子，考慮右邊位置上的那個，它在那個位置時，能量將是最小值；此時距離為鍵距，對吧？如果你將它往右移一點，能量會變大；將其移到左邊，能量也會變大。Okay，那就是莫斯位能，我們將左側原子固定住。現在把另一個相鄰原子放在另一側，產生另一個相同形式的曲線，伸展了第二個鍵。或者我們可以使它成一直鏈，兩側都有相鄰原子，這兩者的能量總和在中央有最小值。 這是一個單一最小值，就像我們由虎克定律得到的一樣。因此，這意味著中心的原子會固定在那裡。現在我們抓住兩側的桿，將相鄰原子拉開。如果將它們拉開，它仍有單一最小值。如果再拉開一點，它仍是一個單一最小值模型，雖然是很平的曲線。如果拉開更多一點，它斷裂了，就變成一個雙重最小值。如果繼續下去，雙重最小值會變得更明顯。這裡有個有趣的問題。在哪一點－在它斷裂前你能將它伸展多少距離？這就是我們所問的問題，對不對？你如何解讀這些曲線，以得知能將它伸展多少距離，在鏈斷裂之前？Shai？ 學生：當底部變平的時候。因此，當曲線變平的時候，它盡可能的伸展，因為… Michael McBride教授：你所謂的「平」是指什麼？圖形中的這部份有個名稱。 學生：反曲點。 Michael McBride教授：這是反曲點。當曲率從這樣，變成－就像虎克定律一樣，變成這樣，對不對？因此，當反曲點交會時，鏈就斷裂了。Okay，因此力作用定律會有很多差異，視原子的行為而定。如果真正瞭解力作用定律，我們就有很好的條件來理解化學。它在反曲點斷裂，在那點上，距離與力的關係由直接變成反向相關。 Okay，但，鍵是什麼呢？牛頓說：「我們將尋找定律」。這定律有點類似莫斯位能。但我們不知道它是從何而來，因為我們不知道它如何運作，我們不知道它到底是什麼。我們可以找出它到底是什麼嗎？在19世紀，人們發現了鍵。這是一張來自1861年的圖，我們稍後將作討論。這是第一張今日人們可理解的圖，描繪了原子間的鍵。這裡有不同數目的線，表示不同原子的價數。氫是一價；碳是四價；氧是二價；氮是三價。 為什麼元素的價數不同？為什麼它們不具有相同價數？更複雜的是，氮有時是三價，有時是五價。例如，存在有NH_3，也存在有NH_4Cl。這裡有五個原子與氮相連結。你如何理解價數的定義？這是人們的挑戰。他們瞭解有價數的存在，但為什麼？你如何能預測一個新元素的價數？Gertrude和Robert Robinson在1917年發表了一篇論文，顯示了這張氨的圖示，NH_3。這個環是什麼？請再說一遍？ （學生此起彼落發言） Michael McBride教授：有人說－ 請舉手，其他人才聽得到你說什麼。Okay，請。 學生：氮上的未成對電子。 Michael McBride教授：氮上的未成對電子－錯。它看起來像氮上的未成對電子，但未成對電子還沒那麼快形成。這個環表示，如果你看背景圖示，是什麼使NH_3起化學反應？關於這個例子，他們是這樣說的，「我們可以合理假定，部分解離是整個過程中的一個階段」因此，鍵開始斷裂。這個環開始斷裂成一個較弱的環，和兩個其他的部分價鍵，在這個理論中。而這些價鍵開始結合來自鹽酸的部份價鍵。對嗎？這個環是一個「潛（latent）」價鍵。你知道「潛（latent）」是什麼意思嗎？「潛（latent）」是「顯（patent）」的反義詞，latent是指隱藏；patent是指顯示。當你得到一個專利，這意味著你告訴大家怎麼做，而政府保護你的權利一段時間，來做這件事。潛（latent）意味著它是隱藏的。 因此，在這些環中有一個隱藏的價鍵，但它們能夠變得可用，對不對？它在某些例子中可作為假設，例如氨與鹽酸的結合，這樣你就得到了一個反應及產物，這個產物中的氮有五個價鍵。但你怎麼知道氮上沒有另一個環存在？你可以打斷並使它開啟，使其產生七個價鍵，或九個，十一個？或者你可以將環打斷，使它變成三個。因此，或許潛價鍵環可以解釋氮的三價和五價性質，或是胺與鹽酸的反應？問題是，這是一個太模棱兩可的概念，它可以解釋任何情況。你可以解釋任何你想要解釋的東西，你甚至可以解釋氮有84價之類的。發生任何現象時，你都會說：「啊哈！有很多潛價鍵。」。但你怎麼知道不會有更多？為什麼會有潛價鍵？它什麼時候會產生？部分解離何時會發生，又為何會發生？這理論無法解釋任何事，或說是解釋了每件事。現在，我要你微笑，這樣我就可以知道你是哪位同學。 （McBrideMichael McBride教授替班上成員拍照） Michael McBride教授：電子在1897年被發現。因此，也許一些現象與它有關。將電子與價數關聯在一起的人是G..N.路以士。這是1894年，他還是個哈佛大學生時的照片。這是8年後，當時他已在哈佛任教。他接著建立了加州大學柏克萊分校的化學系。 學生：Yay！ Michael McBride教授：他1902年在哈佛時，使用這些講義，他試圖解釋元素週期表，為什麼是每八個一組，然後是另外八個又另外八個等等。為什麼會有一些電子從某些原子轉移到其他原子。他說，如果原子中的電子排列在一個立方體的各角落上，那麼你－八是個非常特別的數字，因為這樣就佔據了立方體的所有角落。這裡有個想法，若有某種原因，傾向於使八隅體完整，你就可以解釋它的週期性，以瞭解為什麼一些原子會捨棄一個電子，以失去外殼層，而其他原子獲得一個電子來使外殼層組態完整。 Okay，它也可以解釋如何形成鍵結。如果要形成八隅體；不僅需電子轉移，也需共價鍵的形成。例如，這裡有兩個氯原子，每個只有7個價電子，這個八隅體是不完整的。但如果你將它們放在一起，它們共用一個邊，然後兩個八隅體都會是完整的。並不是說八隅體有多了不起，但如果用八隅體概念，就可以解釋鍵結。那雙鍵的情形又如何呢？假設有兩個氧原子你會怎麼做呢？有人知道嗎？什麼？ 學生：將它們面對面放在一起。 Michael McBride教授：面對面放在一起，分享兩個邊，然後兩個都會形成八隅體。現在，假設你想要將氮原子結合在一起，形成一個三鍵，你該怎麼做呢？ 學生：把它擠進去。 Michael McBride教授：用力推它，像裝拼圖一樣硬把它推進去？ 學生：是的。 Michael McBride教授：把它放在那裡。 學生：您需要把它推進去。 學生：這樣就行了。 Michael McBride教授：這行不通。但是，大約 10年後他想出了如何做到這一點。你要做的就是將電子－氮有5個電子，但不是使它形成八隅體，你沿著相對的邊這樣壓縮它。那既是一個是八隅體，也是一個立方體。變成什麼？ 學生：一個四面體。 Michael McBride教授：一個四面體。現在，如果你將兩個四面體，面對面放在一起，兩個都形成完整的八隅體。但這並不是一個多偉大的進展。他在1916年完成這個，並發表出來。但碳鍵的四面體配位模型，有機化學家在40年前就知道了。這個四面體是個非常重要的結構。所以，一個好的理論應該是既實用又簡單的。但這種情形會有一些矛盾存在。它應該是盡可能的簡單，但或許並不是真的那麼簡單。這就是為什麼我們需要花五週的時間來瞭解它。實務來說，它應具有某些特性。它應該可以用來作預測，你應該能夠用其推測，這些原子會將如何反應，這些分子將作何種反應；氮的價數應該是多少。它怎麼會既是五價，也是三價？這個可取特性列表中，下面一點的這個是建議。一個理論可能－即使它並不能給你正確的答案，但至少可以提供一些真正有益的實驗方向。 下一個是解釋－根據我的理論，所有這些已知的事實都能相互結合，但新知識就無人知曉了。而最下面的是分類和記憶。就像Roy G. Biv讓你記得光譜的顏色，但其中並沒有多少基本概念。因此，即使你有一個糟糕的經驗，但它也可能使你至少記住一些事實，或組織它們。Okay，最後這兩個不是預測，這是事後推論；你僅能用它來解釋已知的事情，作為一種記憶的方式。因此，由價電子數，我們希望預測，有多少不同類型的原子結合形成分子，這就是結構－鍵的性質、序列、以及價數。 我們想知道分子的結構，原子間的距離及角度。我們想知道電荷在分子中的分佈情形。有某些區域帶正電，某些帶負電嗎？我們想知道分子的能量。原子原始的排列，比改變後的排列好還是差？我們想知道關於反應的情形。因此，路以士解釋了結構及鍵的性質和序數。「性質」是指如單鍵、雙鍵、三鍵，而「序數」是指何種原子與何種原子相結合。所以他使用了電子、價數，還加上了未共用電子對。所以你往上數，依原子量或原子序，或元素週期表上的位置，你可以得到元素有多少價電子，有多少元素例外於八隅體模型，然後你可以知道氫的價數是一，硼是三價，碳是四價。隨後再下降，變成三、二、一。 這是氨，NH_3，它適用於這個理論，有一個未共用電子對。但為什麼要形成八隅體？為什麼不是六隅體？為什麼氫只需形成一對電子？為什麼氫不同樣的形成一個八隅體？Okay，讓我們將它套用在HCN上。所以碳有四個價電子，使其能以單鍵與氫鍵結，以三鍵與碳鍵結，每個元素都會形成八隅體組態，除了氫以外，它只需形成兩個電子。因此，皆大歡喜。我們可以簡化這樣，省略點的符號。事實上，路以士考慮過要畫一個冒號，就是一對點符號，來表示一個未共用電子對，所以這是他所使用的符號。這就是NH_3。對了！那BH_3如何呢？也適用。但還有一些新的東西。有機化學家已經知道這一點。他們知道價數，但只有說電子加到某元素中，但並沒有提到任何新觀念。這裡有一些新的現象，就是BH_3_與NH_3反應，形成一個新的鍵。現在，這裡有一個難題。事實上BH_3也會與BH_3發生反應，這不像路以士結構，它的鍵能相當強，大約是碳－碳鍵能的一半。是什麼使B_2H_6鍵結在一起的呢？我們會在第14堂講座時回頭來談這一點。 還有另一件事。你們所標記的路以士結構，是所謂的形式電荷；並不是真實的電荷。那只是你在化學式中所畫的電荷，你希望它們代表某些東西。你的標記圖示是要表示，每個原子各貢獻一半的鍵結電子對。因此，如果有一個鍵結電子對，為了標記用途，你假設一個電子分配給一個原子，或許它們並不是真的均衡共用，但標記者不考慮這一點。 順帶一提，說到標記者不考慮這件事，我知道有－有人為了註冊實驗課程，做了很多無效的嘗試。因為管理系統的人不允許教師進入系統，審視你們所遭遇的問題，所以，我沒有辦法告訴－我無法進入你們的系統。目前為止，大家都瞭解如何註冊實驗課程嗎？ 學生：是的。 Michael McBride教授：如果有人還是有問題，下課後DiMeglio博士可以帶你到計算機中心，並給你幫助。明年它大概會比較容易使用，今年的系統是新的。回到標記這個話題。 因此，這些形式電荷未必是真實的電荷，它們只是你描繪化學式時所寫的東西。Okay，我們將BN上，B和N之間的電子分離，我們也將氫鍵分離，因此，氮現在有四個電子，它原本帶有五個電子，以週期表來看的話。因此，現在它是帶一個正電荷，四價氮在路以士結構中是帶正電。為什麼？ 為了形成第四個鍵，它捨棄了一對電子中的一半，就是在未共用電子對中的電子，因此它失去一個電荷，一個負電荷，而變成帶正電。同樣道理，在這個結構中，你還可以另外畫上什麼？ （學生此起彼落發言） 學生：它是帶負電的。 Michael McBride教授：一個在硼原子上的負電荷，因為它得到一對電子中的一半，但這只是標記用的。因此，當畫一個路以士結構時，你在氮原子上加正號，在硼原子上加負號。這是真實的結構嗎？是否真的有一個正電荷在氮原子上，一個負電荷在硼原子上？我們稍後將會解釋什麼是表面電位。表面電位是指，質子在分子表面不同點上所擁有的能量。為此，你必須定義出BNH_6的表面是指什麼。有一種方式可以得知這一點；但我們現在不做討論，現在談這個還太早。這是它的表面，它的色標顯示表面上某點的質子能量。所以你看到的是，質子能量是高的，如果是這裡，就是很藍的地方。質子能量是低的，如果是在這個區域。這是否符合我們之前所說的？ 學生：是的。 Michael McBride教授：質子能量在哪裡是低的？就是帶負電荷的地方。而它能量會是高的，在帶有正電荷的地方。因此，這個分子，根據量子力學，左側帶正電，右側帶負電，而這正是我們所畫的，它符合我們已知的情形。路以士也解釋了五價氮從何而來，因為那裡也有一個離子鍵。四價氮帶正電荷，銨和氯之間就只有庫侖引力，這是一個偉大的貢獻。還有其他情形，可用路以士結構來解釋。例如胺類，它可以與氧反應，產生氧化胺，其中氮帶正電，氧帶負電。或使用硫化物，它可以與氧反應，產生亞碸。硫還會發生其他什麼反應？另外會發生什麼反應？ 學生：與另一個氧反應。 Michael McBride教授：它可以再與另一個氧發生反應，並產生碸 ，這是它的名稱。因此，路以士結構解釋了這一點。這裡有一些可練習路以士結構的問題，它們都在網站上，去看看吧！其中之一是畫出HNC的路以士點結構。以這樣的順序，先H再N－化學式寫成HCN，但要畫成HNC。然後再試著畫 HCNO。畫出CNO所有六種直線排列形式。也就是說，氮在中間，碳在中間，氧在中間，然後氫在其中一個原子的末端。也可能使CNO排列成環狀，並把氫放在任何可能位置上。因此，練習畫這些分子的路以士結構。 並開始記住官能基。這個課程中，我們要背的東西實在不多，相較於多數有機化學課程來說。我們試圖理解物質如何運作，讓你能預測它，而不是死記。但有一些事情你必須要知道，如官能基的名稱，否則老是得再三解釋。因此，這些是你需要學習的部份。第一次測驗，大約在三星期後舉行。我會給你一個問題，你必須根據名稱畫出它結構中的其中一種，或替結構命名。 這些都放在網頁上；你不必抄下來，這是一些簡單的官能基。這裡是－哎喲！抱歉。是這個。還有共軛官能基。你可以自己試試看。Okay，這是今天最後一個問題。我們會遭遇到一個情況，當討論到路以士結構，或一般結構，特別是路以士結構時，那就是平衡和共振。有多少人知道共振是什麼？是什麼？ 學生：像是相同的分子，但結構不同。 Michael McBride教授：稍微大聲一點。 學生：相同的分子但其結構不同。 Michael McBride教授：相同的分子但不同的結構。但不是一個分子的結構？ 學生：以我的猜測－ Michael McBride教授：就像是，讓我插一分鐘的話。其中一個問題，就像是，HCNO各個原子以任何順序排列，因此，將產生不同的分子，可能是C或N，或O在中間位置。這就是你的意思嗎？ 學生：不。我的意思是，就像－如果有個雙鍵或三鍵，它在不同位置，圍繞著中心原子。 Michael McBride教授：啊，現在讓我們－事實上，共振是人們試圖掩蓋無知以免除恥辱的作為之一，讓我告訴你我指的是什麼。這是HCNO的結構，它符合八隅體模型，如果你試著畫畫看就會瞭解。然而，它也有電荷分離，你不希望結構中有電荷分離。如果可能的話，你希望避免掉結構中的電荷分離現象。但顯然在BNH_6的結構中你無法避免。Okay，但你現在可以避免掉電荷分離，就是將氧上的電子對移至氧和氮間，使其共用，那麼氧上就不帶任何電荷了。大家都瞭解嗎？ 學生：當然。 Michael McBride教授：當你這樣做時會產生什麼問題？ 現在氮上有太多電子了。所以，你可以將一對電子從－就是在CN 之間的鍵結電子，移到碳上，你可以畫出這樣的圖。Okay，所以你得到以下這個結構，符合八隅體模型，但依然有電荷分離。事實上它變得更糟，因為負電荷不是在氧上，而是到碳上去了。因此，你可以畫出這兩個不同的路以士結構，每個都有其特性，且各有利弊。 這兩個結構有什麼幾何上的意義？這可能意味著，中間的那個，下面的那個，氮在碳和氧的正中間，因為它們都是雙鍵。但在頂端的那個，氮較接近碳，而不是氧。這可能就是這個所代表的意義。所以，如果你畫一張以能量為氮所在位置的函數圖，你可以得到兩種不同的結構，一個是靠左邊一點的位置，氮較靠近左側，你會得到這種結構，當氮在中間時，你會得到那種結構。你必須攀升越過這個能量峰，它會在一瞬間越過去。當你開始將氮推過去，它會在一瞬間越過能量峰，然後變成另一種結構。Okay? 這可能是原子實際上表現的方式，這就是所謂的雙重最小值。今天我們已經看過雙重最小值圖形。 但也許實際上並不真是這種方式，也許這是一個單一最小值。或許氮的最佳位置既不在左側，也不在中間，卻是在兩者之間。也許這才是能量最低的位置。這就是共振的意思。共振就是當你－真正的結構是在你所畫結構之間的位置，所以事實上是符號使用的缺失。大家是否瞭解是怎麼回事呢？那就是你所使用的符號，無法顯示正確結構。當這種情況發生時，就是產生了「共振」結構，實際上它是－真正的結構是單一最小值，不是由你畫的圖所預測的雙重最小值，你所畫的圖是有缺失的表示方式。 請注意，對於共振的情況，你使用的是雙頭箭頭。再回到這裡來看一下。兩者達成平衡，當有雙重最小值時，以兩個箭頭，表示兩種不同結構。所以問題是，到底哪一種才是正確的。是實際上只有一個具有雙重最小值的分子，還是實際上分子是具有雙重最小值，但存在有兩種結構？或事實上只有一種結構？所以，你必須作選擇。選擇分子到底是共振，還是平衡。必須根據實驗事實，或比路以士結構更好的理論，以知道哪一種才是真實的狀況。就是某些能夠區分出單一和雙重最小值的理論。 因此，平衡是用兩個箭頭，表示兩個結構來回變化；而共振是一個單一結構，我們使用的符號無法很恰當的表示出來。因此，到底實際上是兩種分子；還是一種分子，但有二種結構，我們可以合理的化學式表示，或路以士結構可以將它畫出來。所以事實是，共振的缺失是使用太過簡單的符號。它與不尋常的穩定性相關。我會說「不尋常」，意味著你們應該知道何謂一般的穩定性。所以，與什麼相比較它是不尋常的？我們稍後將會說明這個問題。 最後，我給你們一個關於平衡相較於共振的例子。看這個，當你學習官能基時將會學到。這是羧酸，氫可以鍵結到這個氧，或另一個氧。顛倒過來時，兩者是不同種分子。這是氫鍵結到這個氧，或鍵結到兩個氧中的另一個，事實上它是這樣的。這是兩種結構，兩者間可以來回轉換，屬於兩個不同種類的分子。 但是如果你將氫原子拿走，得到這個所謂自由基的產物，在這個氧上沒有完整的八隅體結構。那裡只有二，四，六，七個電子，藉由分享一個電子，它就能形成另外一個鍵。這是兩個不同的種類的分子嗎？或是同一種分子－看一下－一種中間幾何結構。並沒有真正的雙鍵和單鍵存在，但有某種介於兩者之間的過渡形式。你怎麼知道到底是哪一種結構？唯一的辦法就是做一些實驗來得知。有一個實驗能夠告訴你，它是只有一種原子核的幾何結構。我們沒有足夠時間，在最後30秒告訴你如何證明這一點。但我可以告訴你，所使用的技術是電子順磁共振光譜，可以證明確實如此，這是兩種分子；這是一種分子。因此，頂端的是平衡結構，底部的是共振結構。如果你添加一個額外的電子，產生羧酸陰離子，以紅外光譜可知，它也是對稱的。這種情況下有共振結構存在，這是一個中間結構。但這只是「知識傳授」。你無法事先由路以士結構預測得知。它可能是其中任何一種形式，事實上，很多人認為不是這種形式就是那種形式，這只能由實驗得知。下一次我們將討論更多關於這方面的知識。 2008年9月5日