论化学基础问题应用

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论化学基础问题应用
陈叔瑄

物质间交换、递换、传输种类繁多，是构成宇宙万物的基础。以物理而言，就有万有引力场质、磁场质、电场质、电磁场质、强作用场质、弱作用场质等交换传输，还有气体内重力场质、液体内电磁场质、固体内壳粒等交换传输。实际上地面物态内交换传输介于物理与化学之间的状态，化学上主要是壳粒递换传输、氢与元素原子递换传输、水与无机分子递换传输、有机分子与组合粒子递换传输，甚至生命体同化异化中生命分子与生命物质递换传输。加上生命体递传方式，如遗传、生长衰亡生理、疾病生理、食物链、生态平衡等都建立在化学、物理的递换传输基础上，加上环境条件构成复杂的生命过程。
一、化学根本问题
典型的原子核与壳层粒子电磁交换作用，而原子核集中了绝大部分原子质量，运动重心在原子核上，壳粒绕核运动。微观粒子交换频率较窄较单纯，壳粒绕原子核交换频率或电磁交换荷整数倍所在位置或运动的轨道上才能有效地同步交换，即定态波函数或交换场质所描述驻波的波节的轨道上运动。一个粒子或壳粒本身周期性变换，而又有周围场质周期性交换，量子力学波函数是等价地表示粒子（壳粒）变换状态函数或其自乘为处于该状态的粒子出现的几率密度，而交换场质作用以位能方式表示，愈外层次愈多一项旋转能或愈高的位能，往里跃迁则辐射量子。
现有排列在元素周期表中有一百多种元素，这些元素按照原子周围壳粒分布和数目来分类的，大体上接近元素原子质量统计平均值，即大体按原子量排列的，每个元素原子量增加时经常表现出化学性质与已排在周期表中的某个元素有相似的性质，即元素化学性质周期性分布。它实际上反映其最外层壳粒数目和分布相同，而内壳层粒子数目或原子量不一样而已。如最外层分布一个壳粒的锂、钠、钾、铷、铯等碱族元素，对称性分布趋势使其易丢失这个壳粒，而且愈后面元素最外层壳粒离原子核愈远，因而愈易丢失壳粒，即金属性化学性质愈强。
化学物质是由分子组成的，分子中的不同元素的原子是以一定方式联结在一起，原子联结方式将强烈地影响其化学性质，如异价键、共价键等，包含共价键某些物质特别明显，如纤维素中的碳，氧分子、氮分子等，它们原子间公共壳粒交换以达到壳层对称分布与核壳平衡的统一。卤族元素氟、氯、溴、碘等最外层分布七个壳粒，易向其它元素原子获取一个壳粒以趋于分布对称，而且原子量愈轻这个趋势愈强，即非金属化学性质愈强。如果此类元素原子氯与碱族元素钠接触，钠原子供一壳粒于氯原子，以使各自周围壳粒对称分布。但这样各自原子核与周围壳粒出现交换不平衡，其平衡趋势又有拉回壳粒子，形成壳粒子在原子之间交换或递换，这类壳粒递换就是异价键生成的本质。
水不仅在酸碱性化学反应具有特殊意义，而且水分子之间的场质交换也具有重要意义。水分子与玻璃、陶瓷、泥土等场质交换比其内部交换更强，玻璃器具盛水，水平面边缘向上弯向玻璃壁。而玻璃器具盛水银，由于水银分子内部场质交换比对玻璃壁交换强，水银平面边缘向下弯向水银内部。这样玻璃毛细管插入水中，水会出现往上爬的毛细现象。泥土的毛细现象，使水容易透出地面，太阳一晒，便蒸发丢。为了保持泥土中水分，就必需破坏毛细作用而要经常松土。由于水分子周围场质对众多化学物质分子交换作用而使其溶解，可以加速实现化学反应和生命递换传输过程。
二、化学基本原理
1、价键原理
《论化学基础问题》一文已指出：分子结构是原子外层壳粒交换、递换、递传，甚至元素原子、分子交换、递换、递传联结而成的，化学键的本质是分子内外微粒子，尤其原子壳粒递换传输的基本联结方式，称为价键（异价键、共价键、结晶键、金属键、氢键等）的壳粒或微粒子交换递传的分子结构原理。分子处于气体或水溶液中可以个体方式存在，不过在水中由于水分子作用，其分子内原子间交换联结比气体状态较为松懈，较易分离，而分子间主要是靠场物质交换联结在水中。固体靠壳粒交换成体的，结晶键与金属键是物理固体分子、原子间联结成体所形成的键。异价键与共价键是化学反应有关分子结构键，氢键甚至水递换成键是生命化学过程的键。
异价键是不同元素原子联结成一定结构分子的壳粒子递换传输连接方式。异价键（旧称离子健，但离子带电性是暂时的，不宜说明原子间稳固连接方式）是不同价原子间的壳粒子交换。如钾原子最外层只有一个壳粒，对称分布趋势，使其易丢失该壳粒。而氧原子最外层只有六个壳粒，对称分布趋势，使其易得两个壳粒。这样一个氧原子可从两个钾原子获得壳粒，以趋于各自原子周围壳粒对称分布，但各自原子失去壳粒，又使各自原子核与壳层交换不平衡，有再拉回壳粒趋势，从而形成元素原子间壳粒交换或递换，即构成分子内异价键。
共价键是元素原子联结成一定结构分子而共用壳粒递换传输方式。通常是同元素原子公共壳粒递换传输，如氢气、氧气、氮气分子与溴、碘、碳分子等，以氧分子来说，甲氧原子最外壳层分布对称趋势，而从另一个乙氧原子获得两个壳粒，这样乙氧原子因失去壳粒而核壳交换不平衡，有再拉回两壳粒以及对称趋势继续再拉两个趋势，形成两对壳粒交换或递换，即两对壳粒成为两个氧原子公共的递传的壳粒。但不是所有共价键都由同元素原子构成的，有的不同价元素原子间也可构成壳粒共用的共价键。如水分子的氧原子从两个氢原子获得壳粒，以趋于壳粒分布对称，但氢原子各自失去壳粒又拉回两个壳粒趋势，形成各一对壳粒公共交换或递换方式。可见共价键是成对壳粒交换，较异价键牢固些。
结晶键是材料原子或分子等粒子在熔点之下，即粒子运动速度比较低下，原子周围壳粒子交换不仅在一个分子内进行递换（吸收壳粒与放出壳粒不一定是同一壳粒，故称递换），而且可以跟若干相邻其它原子进行递换，如氯原子可以四面八方与钠原子实现异价键壳粒递换或轮流递换，同样地钠原子也可以四面八方与氯原子进行壳粒递换或轮流递换，而形成固体结晶键。在氯化钠溶液中放入一小粒氯化钠晶粒。如果晶面上是氯原子，那么内外对称分布趋势，就有向溶液拉或吸收钠原子进行递换而结一层钠原子表面。这层钠原子内外对称分布趋势，又使其拉或吸收氯原子实现壳粒递换。这样一层层结晶成正方形晶体。不同分子结晶形状不一样，大体可分若干种，除立方晶系氯化钠等外，还有如斜方晶系碘与硫酸钾，四方晶系锡与氧化锡，单斜晶系硫，六方晶系石英，三角晶系锑，三斜晶系硫酸铜合五水等。
金属键是金属材料原子间壳粒子交换或递换结晶外，壳粒可脱离原子构成暂时带电性，并在材料中移动或热运动。在外加电场或磁场下，可使壳粒作为有规则的运动，形成电流。不同金属（包括合金）材料与其它材料壳粒脱离易难程度很不同，构成导电性不同，可分为易导电的导体，极难导电的绝缘体，以及介于两者之间的半导体。金属材料原子间壳粒还易改变交换或递换距离和方位，因此具有易延展性与压制成各种形状。某金属掺入不同金属或其它元素，使其壳粒交换分布与方式发生改变，所组成材料的性质随之改变。如钢铁中含碳量不同，其硬度、延展性等都不同。分为低碳钢、中碳钢、高碳钢等，可适用于不同的场合。
2、化学反应
化学反应过程是元素原子、根基原子集团、分子（尤其水分子）在一定条件（溶解、加热、搅拌、催化剂、平衡程度等）下的交换、递换（置换）、传输过程，即化合与分解过程，这个过程形成酸、碱、盐等化合物（包括提纯）称为元素原子、分子交换递传的化学反应原理。化学反应本质是一定成份、结构、递传方式的分子间的元素原子，甚至分子递换（置换）传输过程，但递换传输是有条件的，气体状态原子、分子各自独立，主要靠相互碰撞接触发生元素原子递换，几率很小，不易发生化学反应。固体分子相对位置较固定，内部主要运动形式是振动，分子间接触机会较小，也不易发生化学反应。比较容易发生液体或水溶液中，由于液体或溶液中分子靠场质交换，既不像气体粒子间独立而自由运动，又不像固体分子间位置相对固定那样接触几会较少，而使分子间接触几会大大增多，较易引起化学反应。
3、分子量与分子式
元素原子是天体微涡旋运动中形成的，平衡稳定时外壳层壳粒数与原子质量大体成正比，通常情况下原子质量愈大相应外层壳粒数愈多。原子按外层壳粒数目与分布来分类的，外壳粒只一个的原子归一类称氢元素，外壳层两个原子归第二类，称氦元素，这样可以分成一百多种元素。但元素原子生成条件不完全相同，原子质量存在差异或统计分布。元素原子量是同类原子质量一定统计分布的平均值，从而分子量也是一定统计分布平均值，因此化学反应式只是分子成份比例式或分子化学反应式是其交换、递传的成份比例定量描述方式，其质量关系仍然是其统计平均值，包括定比定律与倍比定律等分子式元素比例关系的规律，称为化学分子式的元素比例关系及其质量统计平均值原理。
三、化学原理应用
1、分析化学
从元素原子外壳层粒子分布、数目、运动轨道及其跃迁、电磁性、脱离等特点来分析辨别化合物成份，是分析化学基本方法。定性或定量分析化学材料中所含的元素成份是化学分析的重要任务，各种元素都有其特有发射光谱，利用这个特点来辨别其元素成份。采取激发光源使试样激发发光，通过分光装置展开成光谱，拍摄光谱并对谱板进行显影、定影处理，随后利用映谱仪进行定性及半定量的目视分析或用测微光度计作定量分析。定性分析主要检出试样中一个或几个指定元素或可能存在元素。半定量分析常采取所摄谱线黑度与已知标准试样目视强度比较来估计含量的方法。定量分析是利用元素的谱线强度与该元素在试样中的含量之间关系式，甚至作坐标图计算得到的。
化学材料也可以通过各种元素原子特有的吸收光谱来辨别所含的元素。分子内部存在三种不同运动形式，即壳粒绕核运动、分子转动（液体中分子主要运动方式）、分子内原子核间振动（固体中分子主要运动方式）等，壳粒轨道跃迁就会发射（壳粒往里跃迁）或吸收（壳粒吸收量子而往外跃迁）固有光谱线，利用这个吸收光谱性质来辨别元素。如双光束自动记录式光电分光的光度计，主要由光源、单色器、吸收池、检测器和附加设备等组成的。钨丝灯为波长340~3200亳微米可见光的光源。单色器作用是将混合光由色散器与狭缝又按波长顺序分散开来呈现光谱。用于装载样品的玻璃吸收池，置入分光光度计供测量用。检测器是测定通过溶液的透射光强度的装置，通过光电倍增管的接受器与对输出光电流进行一级或多级放大后测量的光度系统。为了扩大光度计应用范围还需要一些附加装置。
氢原子核涡旋外围只有一个壳粒涡旋绕其旋转，所具有磁性较为单纯，氢核在可改变强度的外磁场作用下只有同向或反向的两个取向，另用电磁波照射氢核。当原子核产生的回旋频率恰好等于电磁波照射频率时，将会发生共振，即核磁共振。若以吸收能量强度为纵坐标，以吸收频率为横坐标，记录纸描绘下来核磁共振谱曲线上就有氢核的吸收峰。因此核磁共振波谱仪一般由一对电磁铁、射频振荡器、扫描发生器、核磁共振信号接受器和记录仪等组成的。振荡器、接受器、磁场三者互相垂直而互不干扰。是研究有机化合物的，尤其氢有关的化学结构主要方法之一。
化学元素原子外壳层粒子脱离原子使该元素原子暂时带正电，在外电场作用下，形成离子束入射质量分析器。在质量分析器中，离子因受磁场作用而改变运动方向，方向改变大小与荷质比有关。于是，不同的离子就按其荷质比大小互相分离开来，然后由记录系统记录下质谱图。由质谱图相对位置及相应离子电荷数，可计得质量数。按电荷暂态性原理，质谱图不是微细小点而是一定分布小圆块状，以证明荷质比有一定分布的，其平均值是荷质比平均值。通常质谱仪由进样系统、离子源、质量分析器、检测器和真空系统组成的。可以定性地分析有机物所含元素与无机物定量分析等。
利用暂态的电子束照射有限距离的材料可产生一系列现象，如二次电子、透射电子、背反射电子、X射线等，制成电子显微镜和电子探针微区分析器等。电子显微镜由三极电子枪发射出来电子束在加速电压作用下，经过三个电磁透镜聚成细小电子束，与试样物质交互作用，产生出各种信号。并通过这些信号的强度、分布与试样的形貌、成份、晶体取向、表面状态等有关分配分子结构。电子探针X射线显微分析是采用高速电子形成细小电子束的探针作为X射线的激发源，在大块试样上对体积只数立方微米区域作定性或定量分析出化学成份。电子显微镜与电子探针结合起来，再加上电子计算机控制和定量分析修正，可以使分析精度大大提高，广泛应用于冶金、陶瓷、半导体、生物等方面。
色谱分析是对多组分混合物进行分离、鉴定的一种快速分析方法。要分析就必需分离，通常混合物的分离要在色谱柱中完成，要根据试样的特性来选择一种较为合适的分离方法，即可根据试料的分子量范围、溶解度与分子结构特点等来选择一种分离方法合适于一定的分离对象。如分子量低、挥发性好的可采取气相色谱分析。溶于水并能电离的碱性混合物宜采取液体阳离子交换色谱分析，或酸性混合物宜采取液体阴离子交换色谱分析。通常液相色谱仪由高压泵、梯度洗提装置、进样器、色谱柱、检测器等部件构成的。检出先后从色谱柱流出的每一组份，并按其物理或化学特性将检出结果转换为易测量的电信号。
2、溶液化学
化学材料分子是靠元素原子或根、基原子团间壳粒交换递传联结成的，化学反应本质是分子间元素原子或原子根、基粒子的递换传输过程，外部条件不同，分内外联结程度和方式不同，利用这个特点实现化学反应。化学物质及元素的熔点、沸点各不同，即交换方式各不同，可以控制温度来分离元素与化学物质。炼铁、炼钢都可以通过不同的冶炼炉液化温度控制，将矿石或废钢铁与焦炭、石灰石一起在冶炼高炉煅烧可达到很高的温度，即达到铁的熔点，铁原子或分子周围由壳粒交换方式变换成场质交换方式，其它杂质有的呈气体状态，有的呈固体状态，而分离出一定成份的铁水（钢水）从高炉底部孔洞流出，可铸成所需要的形状材料。排掉废气及留下其它的杂质废渣等。控制温度熔化出不同金属材料，是提炼纯材料重要方法。
化学物质水溶液的水对化学影响机理说法不一，最有代表性是电离理论与酸碱理论。电离理论是1887年阿仑尼乌斯提出的，认为电解质在水溶液中能部分电离成带电荷的正、负离子。1923年路易斯又发展成酸碱电子理论。酸碱理论是1923年布朗斯特和劳里提出的，认为酸碱反应实质是质子从一物种向另一物种转移，凡能给出质子的物质均为酸，凡能接收质子的物质均为碱。由于电的暂态性或非固有的，溶液电离只是暂时状态或化学物质处于不断分离、结合反复变化的动态状态。实际上水分子就是不断地分离、结合氢与氢氧根的动态状态，即具有基本酸、碱的氢元素递换传输过程的基础。布朗斯特酸碱理论中质子就是氢原子，采取氢原子递换传输充实酸碱理论更为确切、更为深刻，因为生命分子建立在通常具有酸、碱双极性分子基础上，才使水分子成为生命分子间实现递换传输基本方式。
水或溶剂分子场质为主的交换方式，也存在一定方式壳粒交换，使壳核间交换削弱。投入溶质在一定条件下，很快就被溶剂分子周围场质交换而使溶质分子核壳松懈，易产生化学反应。而且浓度愈大，粘性愈强，壳粒交换分量愈大。不同化学物质对不同溶剂溶解易难程度不同，不同化学物质对同一溶剂，尤其水的不同温度压力溶解程度不同，利用这个特点来纯化元素或化合物。重结晶是纯化固态化合物的一种重要方法。选择适当溶剂，多半是水并在接近沸点的温度下把需要纯化的固体溶解，排掉废气，然后趁热过滤溶液而除去不溶性杂质，剩下溶液冷却可析出纯粹结晶物。有的溶液中溶解的化学物质中放入晶粒就可以重结晶。
利用某些溶剂对某些化学物质一定条件下具有很强交换作用，即易溶解而又对其它杂质弱交换作用，即难溶解特点，从固体或液体的混合物中提取出所需化学物质的操作称为萃取。通常石油醚用于萃取难溶于水的化学物质；乙醚、苯用于萃取较易溶于水的化学物质，而易溶于水的化学物质则用醋酸乙酯之类溶剂来萃取。溶剂不仅能很好溶解被萃取化学物质，而且对杂质难溶解，使用萃取溶剂沸点不宜过高，比重要适当，毒性要低，还要有一定的化学稳定性。由于化学物质分子质量与运动统计性，不是所有分子都达到萃取条件，分子质量与运动具有统计性，有先后达到条例，即很难一次萃取完成，可以采取多次萃取办法来解决问题。
溶液对不同溶质的溶解甚至电离强弱程度不同，有的溶质可分离成暂时电离状态，如稀硫酸铜产生暂时的带正电的缺壳粒铜离子与带负电的多壳粒硫酸根离子的不平衡状态。插入外电源的正极铜棒与负极碳棒（或其它金属材料），平衡趋势，使缺壳粒的铜离子往负极移动以取得壳粒趋势并附在碳棒上，而硫酸根离子往正极移动以跟铜棒化学反应，并放掉壳粒，产生回路电流。对负极材料起了电镀作用，电镀时间愈长或电流强度愈大，电镀量愈多，即在每个电极上分离出来的物质的质量与电流强度、时间成正比。比例系数与元素的原子量和最外层壳粒数有关，原子量愈大和最外层壳粒数愈小，即愈易产生交换或金属性愈强，比例系数愈大。
由于溶液对不同溶质的溶解所产生的电离虽然是暂态的或动态离合状态的，但溶解程度差别很大，不仅溶液间而且溶液与金属间存在接触电位差，即溶液中金属离子缺壳粒程度比金属板大而产生电位差。利用这个特点可以制造电池，如与浸在硫酸铜的溶液中的铜板，浸在硫酸锌溶液中的锌板，这两种溶液用多孔的瓷壁分开，铜极接触电位差最强，锌极接触电位差其次，两溶液间最弱，可略去不计。两极间连接上外电路，铜极缺壳粒更强于锌极而向锌极吸收壳粒趋势，铜极的铜离子吸收壳粒后成铜原子附在铜板上。锌板失去壳粒而成缺壳粒离子与过剩硫酸根化合成硫酸锌，提供了外导线化学能，即化学能转化为电能的过程。
3、硅酸盐化学
水泥为粉状矿物质胶凝材料，与水等调和后增强了分子间场质交换，成为可塑性材料，在摸框中成形，时间一久水分子脱离后变成壳粒子交换，即能在空气中或水中逐渐硬化。水泥性能基本相同的水泥为一个品种，主要受氧化镁、二氧化硫、烧失量、细度、安定性与水泥标号（硬度）等六项指标的影响。用的较广的有硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥等。主要化学成份是氧化钙、氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化镁等。它是由适当成份的生料烧至部分熔融所得以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料，加上适量石膏磨细而成的。水泥颗粒壳粒易跟石头、钢材形成交换而紧密联系在一起，构成坚固的混凝土。
陶土是一种土状矿物，通常呈黄色或灰色，成份比较复杂，含水硅酸铝。瓷土又称白土或高岭土，主要由微细晶体氧化铝、氧化硅、水等组成的矿物，是一种纯净粘土，易于用手捏成粉末。陶土或瓷土与水拌和成场质与壳粒交换混合状态，成为可塑性材料，可以制成各式各样器具或工艺品，经过阴凉，水分蒸发化成壳粒交换方式。再经过适当加温烧结，进一步蒸发水分，其它分子相互间壳粒交换更加牢固的陶器或瓷器。由于陶瓷壳粒只在邻近分子间交换，用力易破碎，不像金属壳粒可在分子间移动那样而具有一定延展性与坚韧性。不同地区瓷土或陶土的成份差别很大，即使工艺过程一样制出产品质量差别也很大。
玻璃不易与众多化合物进行化学反应，加上透明性好，常成为化学实验器具。玻璃可分为软质普通玻璃与硬质玻璃，其分子间壳粒或场质交换比例不同，硬质玻璃壳粒交换比例较大，较耐高温。软质普通玻璃由二氧化硅、氧化钙、氧化钾、氧化铝、氧化硼、氧化钠等原料制成的，其耐温性、耐腐蚀性差，硬度较低，易加工，可制造试剂瓶、漏斗、干燥器、表面皿、培养皿、量筒、吸管等。硬质玻璃的原料包含二氧化硅、碳酸钾、碳酸钠、碳酸镁、硼砂、氧化锌、氧化铝等，可耐较高温度，耐腐蚀、耐电压等优点，用于制造烧瓶、烧杯、三角烧瓶、曲颈瓶、冷凝器、试管等。
参考资料：
1、《物性论-自然学科间交叉理论基础》 陈叔瑄著 厦门大学出版社1994年出版
2、《物性理论及其工程技术应用》 陈叔瑄著 香港天马图书有限公司2002年出版
3、《思维工程-人脑智能活动和思维模型》 陈叔瑄著 福建教育出版社1994年出版
4、《实用化学手册》 张向宇等编 国防工业出版社1986年出版
5、《论化学基础问题》 陈叔瑄著 《科学》中文版2000年8期
（发表于《十六大的探索与成就》）