化学中的稳定问题

***化学中的稳定问题稳定性（stability）是化学理论所解释的关于物质的一个重要性质，我们常常需要知道某种物质是否稳定，这涉及研究，生产，应用等问题，而这些物质的稳定性又必须从微观层面去阐释，化学的研究对象即是各种各样的分子（把原子，离子，分子统称为分子）的微观客体。那么分子的稳定性与哪些因素有关呢？我们可以从哪些方面去解释或推断其稳定性呢？稳定是自然界所追求的状态，是科学的重要研究对象之一，无论是自然科学还是社会科学，都不可避免的要研究稳定问题。我们都需要稳定的工作与收入，稳定的家庭和婚姻关系，稳定的发展空间。。。。。。经济，政治，社会需要稳定，国家需要长治久安，稳定是发展的前提，也是人们赖以生存的条件。我们生存的宏观世界需要稳定，人类作为地球的主宰也要维系地球的稳定，这既是保证人类可持续发展的需要，也是人类保护地球生灵的使命。同样在微观世界，稳定也是其永恒的主题，为了维持稳定，原子们（请允许我这样称呼，我总觉得微观世界的行为与人类的行为有着某种温和而又一致的默契）必须选择某种状态使得它们所构成的分子体系处于能量最低的状态，原子中电子排布所遵循的能量最低原理，泡利不相容原理及洪特规则是微观世界里的三条重要的原理准则，决定着微观世界粒子的行为。对于化学而言，我们从研究原子入手，首先要解决的是原子系统的稳定性问题即原子为什么能够稳定存在。关于这个问题的解释到二十世纪初才得以比较满意的解决，量子论的诞生为我们研究微观世界提供了一个强有力的工具。牛顿经典力学在20世纪初遇到了许多难以解决的问题，其中之一就是关于氢原子光谱的谱线呈分立特征的问题,后来波尔提出了他的氢原子模型，获得了极大的成功，他也因此荣获了诺贝尔物理学奖，但是这个模型仍有局限性，不能解释氦原子及一些多电子原子体系问题。在这之前，于1900年普朗克首先为黑体辐射研究提出量子假说，从此揭开了量子论的序幕，他本人也因此获得1918年诺贝尔物理学奖，爱因斯坦，波尔等人也是受此重要的思想启发。如果我们要想从更深层次上去了解微观世界就必须要运用量子论，然而，并不是所有问题都必须要采用这种方法，量子论需要艰深的数学，因而在此只介绍一些简单的思想与思维方式。在许多化学理论中，我们往往会考虑许多物理因素，如电荷分布，静电力，电势等，其中静电力我们研究最多的，在经典力学领域，我们暂且把静电力当做维系分子体系稳定的方式。我们可以采用卢瑟福的原子模型来研究一些问题，这个模型认为原子是由一个带正电的占原子几乎全部质量的核和绕核外运动的电子构成的体系，靠静电力维系，其物理图景类似于太阳系，各大行星绕太阳运动，维系其运动的是万有引力。当然，为了进一步改善，这里必须强调电子运动的不确定性，即电子不再具有经典力学中的确定的运动轨道，微观世界的粒子都满足不确定性原理。现在总结一条对分析分子体系稳定性的有用的物理规律1：对于一个带电体系而言，其稳定性与电荷的分散程度有关，分散程度越大，体系越稳定。“分散”也是一种稳定，“集中“也是一种稳定，两者有时格格不入。对于一个国家，要适当的集权中央，但权利不能过度集中，否则就会使当权者一人独断，滥用权利，为所欲为，导致政治动荡，社会混乱，中国的封建王朝正是皇帝高度集权。因此，为了更好的稳定，必须采取”分散权利“的制约方法，西方的三权分立学说就是”分散“的政治智慧。再譬如，在经济学领域，社会分工就是一种人职能的”分散“，每个人都有属于自己的分工，这样就可以提高效率，有利于社会发展。也许你可能认为我离题万里了，怎么一下子就跳到这里了？其实，但这仅仅是我的个人观点，我总觉得我们的世界应该是统一的，影响和制约人的一些规律也许并不是大自然为我们量身订做的，它是公平的，对所有事物都一样公平，这种大自然创造万物的一致的内禀属性最让我感到奇妙与敬佩！尽管以人事的方式去解释微观世界的行为有些人为主观的性质，但这有助于我们理解，所以就将就用吧！化学的一些本质属性属于哲学的范畴，哲学作为一切自然科学的基础，其重要性是不言而喻的。现在言归正传，讲讲上面的一条物理规律的应用。在有机化学中，前面已经提到反应机理是重要的研究内容，而通常在研究反应机理时，往往会引入一些反应中间体，这些反应中间体是可以通过物理或化学方式直接或间接检验出来的，这些常见的反应中间体有自由基，碳正离子，碳负离子，卡宾和乃春。实际上在分析这些中间体的稳定性时，都可以应用这条规律，这些反应中间体的稳定性有助于判断反应的发生方向和难易快慢程度。一，自由基共价键的均裂会产生各带一个共价电子的原子，这样的原子叫做自由基，是活泼物种，易发生反应。如对于自由基反应，决定反应进行的是生成自由基的稳定性。那么决定自由基稳定的因素有哪些?对于自由基而言，电子离域分散有利于其稳定性，而与电子离域有关的效应为共轭效应，共轭效应包括p-π共轭，π-π共轭，σ-π超共轭，σ-P超共轭等，这些共轭效应均有利于自由基体系的电子离域分散，因而可以加强自由基的稳定性，其中p-π共轭与π-π共轭作用较强，大于后两种超高共轭效应。如下图，自由基的稳定性顺序由大到小排列，三级自由基〉二级自由基〉一级自由基，这是因为随着烃基的增多，σ—P超共轭效应越强。二，碳正离子碳正离子的结构通常是平面构型，带正电的C采取sp2杂化，对于带正电的碳正离子而言，体系的正电荷分散有利于其稳定，因此凡是能够使得正电荷得以分散的因素均有利于其稳定，这些因素诱导效应和共轭效应。①诱导效应：由于原子或原子团吸引电子能力的不同，从而使分子内电子发生移动的现象，通常电子从电负性小的原子偏向向电负性大的原子，极性共价键的形成即是这种情况。诱导效应可分为吸电子诱导效应和给电子诱导效应两种情况。同自由基的稳定性顺序一样，碳正离子的稳定性也为三级碳正离子〉二级碳正离子〉一级碳正离子。任何给电子的原子或基团（如甲基，乙基等）相连于碳正离子，能使碳正离子电荷得以分散而稳定性提高，相反具有吸电子效应的原子或基团（如-CF3,-CCl3）与碳正离子相连时，则使碳正离子电荷集中，而稳定性减小。②共轭效应：可以使碳正离子的正电荷得到分散，从而使之稳定。随着共轭体系的增加，正电荷沿着共轭体系得以分散，稳定性增加。如三乙烯基甲基正离子稳定性要大于二乙烯基甲基正离子；苄基正离子与烯丙基相似，正电荷通过p-π共轭效应得到分散而稳定。目前仅以此两者为例，至于碳负离子，卡宾和乃春在进入正文之后会加以详细介绍。从上面的分析可以看出，物理规律1对于判断有机反应中间体有着指导性的作用，我们可以用这条规律去解释一些分子离子的稳定性。第二条规律是化合物分子的能量越低，分子越稳定，其实能量才是在根本上与稳定性有关的原因。前面所介绍的物理规律1无非是为了达到第二条规律这一目的的方法之一罢了，对于一个带电体系，其所带的电荷越分散，能量就越低，因而就越稳定。“能量”究竟是一个什么概念？我们说到能量，如动能，势能等，引入能量这一概念有助于我们理解大自然，它的深层次的意义需要我们从哲学上去思考加以解释。我们暂且这样用吧，不需要去探求其本质意义。