物质为什么化合？

物质为什么化合？为了稳定，那怕是暂时的平衡；为了低能耗，为了更长久。物质当然没有意识，稳定是它们与生俱来的趋势—从大爆炸开始，否则就要再变，直至一种更稳定的结构。天体、水滴为什么都是球状的？因为对于给定的体积，球的表面积最小。为什么物体总是走短程线？因为耗时最少。本文要从原子结构来探讨物质的稳定性。

在化学中，两个原子通过共享电子对而紧密地结合在一起。单个原子，尽管可以独立存在，但是不稳定的。在常温下为气态的原子，H，N，O，F，Cl，Br，I，需要两个结合在一起，形成气体分子才能自然存在。至于惰性气体原子，He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn，因为最外层的电子轨道已经饱合（He达到s2，其它均达到s2p6），是最稳定的存在，不需要与其它原子相结合。相反，其它原子宁可得/失外层电子，形成离子，也比单个原子更稳定。

碱系金属（Group A1，H, Li, Na, K, Rb, Ce, Fr）总是丢掉外层的单个s1电子、碱土金属(A2, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)总是丢失外层的两个S2电子，形成一个阳离子，等同于次一级的多芯原子。氢原子丢失一个电子后，就成了质子；尽管稳定，反应性超强。与卤族元素相结合，可以形成强酸。最强的酸便是过氯酸（HClO4）,其次是硫酸（H2SO4）, HI, HBr, HCl, HNO3, 水合离子H3O+。H+与氧原子结合形成氢氧离子OH-，构成碱的要素；在有机化学中，又称为Hydroxyl，是酒精（Alcohol）的要素。当然，最强的碱是阴离子CH3(-), 其次是H-, NH2(-)。

氢键是一个氢原子与另一个电子亲和性较高的原子（如F，N, O）之间的相互作用。它比离子键、共价键要弱，但是比分子间的Van der Waals（范德华）力要强。此键是极性的（Polar Covalent）。水分子既是酸性的，又是碱性的；几乎可以溶解一切物质，因为水可以形成广泛的氢键。

对于卤族元素（A7, F, Cl, Br, I, At），它们的p轨道还差一个电子就饱和，有一个孤电子（没有成对），因此总是希望得到一个额外的电子。两个同种原子相结合，可以形成很强的共价键；与碱系金属相结合，形成更强的离子键：其键能更高、更稳定；因而液态物质的沸点更高。另一方面，F、Cl、Br可以丢掉外层（s2p5）的1、3、5甚至全部7个电子，变成阳离子，实现氧化反应（Oxidation）。两个卤族元素也可以化合，形成反应性很强、也就是很不稳定的分子 XYn, n可以取值1、3、5、7。

氧族元素（A6: O, S, Se（非金属）, Te（类金属）, Po（金属））也具有较高的负电性和电子亲和性，因为其外层电子结构为s2p4，p轨道有两个未成对的电子，可以形成两个键，通常带有2个负电。与两个氢原子形成易挥发的化合物H2X，或PoH2。但是，负电性更高的氟元素F和氧元素，可以把它们氧化到+6或者+4的状态，形成诸如SF6、SO3等物质。值得一提的是臭氧O3，很强的氧化剂、也是很不稳定，可以吸收太阳的紫外线辐射，将其转变为热能，保护着生物细胞免受伤害。

硼族A3包含硼（类金属）、铝、Gallium、Indium和Thallium，每个具有三个外层电子，结构式为ns2np1;通常丢掉3个电子成为+3阶阳离子；但Ga、In、TI也可以只丢掉1个电子。TI可与水发生剧烈的化学反应，释放出热、火焰，产生爆炸性的副产品如氢气，而且剧毒无比。

对应于A3合8的氮族A5, 最外层有5个电子；它们通常获取3个电子成为-3阶的阴离子（如NH3, PH3, AsH3, BiH3）;但是也可以丢掉外层的5个或者3个电子，成为阳离子。而氮甚至可以丢掉1个、两个、四个电子，成为带奇数电荷的阳离子；以至于有人怀疑氮基生命的存在。氮族的氧化物通常是酸，如著名的销酸NHO3; 还可与卤族化合，除氮外，其它卤化物都是电解质。

最复杂的就是主族中的A4-碳族（包括C, Si, Ge, Sn, Pb）了。它们的外层有4个电子，p轨道中有两个孤电子；通常的状态是丢掉两个或者四个电子，而碳元素还可以获取4个电子。它们一般形成共价键，可以+4阶形成氧化物、硫化物、卤化物。两个碳原子还可以结合，形成很强的碳键：钻石坚硬无比、石墨可软可硬。碳水化合物形成了千万种有机分子，是生命的基石。

过渡元素包括B族1到8，外层是d轨道，以及f轨道的镧系（Lanthanum）、锕系（Actinium），都含有空轨道或者孤电子。B1族的Cu、Ag、Au、Rg，外层电子结构为 nd10(n+1)s1，通常呈现+1的状态，但Cu可以是+2。B2族的Zn、Cd、Hg、Cn，外层电子结构为 nd10(n+1)s2，通常呈现+2的状态；没有孤电子了，可n + 1的能级只有s轨道。当d轨不满10时，为了更稳定，s电子通常跑到下一能级的d轨道上。在形成阳离子时，它们首先丢掉s轨道的电子，然后再丢掉d轨道上的电子以进一步离子化。Titanium的外层电子式为 4s2 3d2，可以丢掉s2后，再丢掉d上的1个或2个电子，从而有三种离子态。

现已探明的稳定核素（Nuclides）有253种之多。其中29种的半衰期比宇宙的年龄还要长（如Bismuth-209）；而Thorium-232、uranium-238、uranium-235、potasium-40的半衰期在70亿年到140亿年之间。在元素周期表中的元素，序数大于83的元素的同位素都是放射性的。序数大于92（Uranium）的元素都是人工合成的。现在，人们已经把120个质子、电子合在了一起，还能更多吗？理论上是无限可能的，但是需要至少同等数目的中子，才能让它暂时稳定。

观察发现，当外层电子数为偶数时，核素比那些为奇数者更为稳定。而当质子数或中子数为2，8，20，50，82，126时，核素最为稳定；这几个数被称为化学上的魔法数。前两个数满足n个能级（n也就是周期数）所能容纳的最大电子数 2n^2；第三个数是 2[n^2 + 1^2] ；第四、五个数是 2[n^2 + (n-1) ^2] ；这都满足最大量子态的要求。中子数为126的核素有，Neptunium-219, Uranium-218, 并不稳定；91Protactinium-217、90Thorium-216、89Actinium-215、83Bismuth-209等等都不稳定，只有86Radon-222的半衰期为3.823天，84Polonium-210的半衰期为138.376天；看来126这个数是一些人以讹传讹。化学家们还漏掉了一个关键数字：26, 对应于稳定的铁元素，它是 2[3^2 + 2^2] ！请注意，这不是126，而是26。铁的四个同位素的半衰期超过 4.4 × 10^20年。

总之，稳定核素的质子数或者电子总数应当等于2n^2或者2[n^2 + m^2]。这些完全平方数表现出来的只是表面现象；核素中那些寿命只有几纳秒的粒子才是解释稳定性的关键所在。要了解宇宙的终极奥秘，人类必须得达到夸克层次。

[望沙]

赞