同時,這兩個電子之間還受到庫侖力的排斥力的作用。正是這兩個力的共同作用,才使這兩個電子彼此挨近而又保持一定距離,組成電子對──庫珀對(Cooper-Pair)。超導(dǎo)也是同樣的原理,由于電子引起離子密度的微小漲落,從而離子和電子的引力一定程度上抵消了電子斥力,可以維持一個介穩(wěn)定的狀態(tài)。以上例子只是說明電子可以成對的一種方式,化學(xué)鍵里,電子并不是以這種方法結(jié)合的。
眾所周知,要想形成化學(xué)鍵,兩側(cè)結(jié)合的軌道就要滿足三個原則:軌道對稱性匹配,軌道能量相近,軌道最大重疊。以氫分子離子為例,兩個原子核本來是互相排斥的,但是有了一個電子,這個電子和兩個原子核都有吸引力,那么整個三體體系的最穩(wěn)定狀態(tài)顯然是電子在兩個原子核中間,這樣一來,我們認(rèn)為兩個原子形成了化學(xué)鍵。即:原子軌道的電子對并不是電子結(jié)合成對緊挨在一起,而是波函數(shù)的組合引起的“概率”問題,在這里討論電子的配對是不合適的。
實際上,所謂的化學(xué)鍵也可以理解為一種電子結(jié)構(gòu)?;瘜W(xué)鍵之間的作用是靜電相互作用,因此必然存在靜電斥力。電子填充在不同的軌道里,賦予不同的軌道以能量,從而發(fā)生軌道之間的相互作用。還有一種解釋:“分子斥力是一種“熵力”,并不是真實的相互作用;自旋同向兩電子電子云重疊時,根據(jù)費米子波函數(shù)反對稱性,該體系定態(tài)能量高于單電子態(tài)簡單相加,因此熱平衡時該量子態(tài)上的粒子數(shù)較少,宏觀上相當(dāng)于排斥力的效果”。
剛才我們說到,原子軌道的線性組合形成分子軌道,這時,需要考慮原子軌道的組合方式,也就形成了能量低的成鍵軌道和能量高的反鍵軌道。需要注意,并不是所有的軌道都會相互排斥。
觀察上面的一氧化碳分子軌道,3σ填充了電子,是成鍵軌道,Π2p則是空軌道,是反鍵軌道。需要注意,軌道并不是沒有填充電子就不存在,而是具有一定的形狀。這樣軌道存在的價值就是和另一種軌道疊加后,可以線性組合為新軌道。例如,下面的異頭效應(yīng)的解釋,成鍵軌道和反鍵軌道是不排斥的,在自由基反應(yīng)里面,SOMO之間也是不排斥的。
化學(xué)鍵的推斥是靜電推斥,這也是經(jīng)典化學(xué)理論中空間位阻的來源。下面用一個例子來說明空間位阻——三苯甲基。三苯甲基是C3v 點群,下圖是從C3軸看的構(gòu)象。
可以看到,三個苯環(huán)沒有采取垂直或平行的堆積,原因是垂直會出現(xiàn)氫原子的Gauche斥力和Π電子的斥力,平行就會出現(xiàn)相鄰苯環(huán)的氫原子推斥。還記得三苯甲基自由基嗎?一般情況下,不會發(fā)生二聚,即使二聚,也會從苯環(huán)的外側(cè)結(jié)合。原因就是在三苯甲基自由基中,自由基被包住了,空間位阻非常大,如圖所示:
目前,空間位阻只能夠通過計算位能來定量計算,定性則更多依靠實驗人員的經(jīng)驗,希望大家從原理出發(fā),更深刻的理解空間位阻對化學(xué)反應(yīng)的影響。
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