元素反应机制揭秘：价态与电子数量相关

为什么有些元素容易形成化合物，有些元素却不太参与反应？为什么各元素会以不同的比例结合？自从汤姆逊发现电子后，探索原子如何与其他原子组成化合物，以及它们为什么会以这样的方式结合等问题的条件就成熟了。化学家们开始钻研，元素为何会是这样。

美国化学家路易士（G. Lewis）设计了一个模型，用以说明原子如何利用电子作为“胶水”彼此结合。1902年，路易士在向学生们解释“价态”（结合元素的力）时使用了一张图，其中将原子描绘成立方体，其顶点带有电子，这样每个原子就有足够的位置容纳8个电子。还有同心的立方体，这样一来，一个原子就像层层嵌套的盒子，但只有最外层能够形成“键”。路易士设想，如果某个原子的一个顶点没有电子，它就需要得到另一个电子来占据这个位置。同样，如果一个原子有两个未被占据的顶点，它就能再吸收两个电子。

路易士在1916年公开了自己的假设，他在一篇具有里程碑意义的论文中阐述了共价键的基础：原子通过共享电子而形成键。这时，玻尔已经发表了自己的原子模型：电子并非固定在立方体状原子的顶点，而是在特定区域内围绕着一个核心运动。在这个模型中，一个电子可被轻易地共享，因为它能够同时围绕两个原子核运行，从而将两个原子结合在一起。因此，价态就与原子能够分享、丧失或接受的电子数量相关。

在玻尔的原子模型中，电子只能占据固定的轨道。当电子从高能轨道移动到低能轨道（更接近原子核）时，就会释放能量

路易士在1923年对共价键和离子键做了区分，他将“酸”定义为任何能接受一个或多个电子的物质，将“碱”定义为丧失电子的物质。酸和碱的“目的”都在于填补空隙或丢掉多余的电子，来使其外部壳层变得完整。

离子键和共价键(www.xing528.com)

化学家们发现了原子形成键以组成分子的两种途径。一种是离子键：一个原子失去1个或多个电子，另一个原子则接受。每个原子都要获得一个完整的壳层。例如在氯化钠（食盐）中，钠的外层有1个电子，而氯的外层有7个电子。钠把电子给氯，氯就有了一个完整的壳层。而且这样一来，两者都有了完整的壳层，可谓皆大欢喜。

另一种是共价键：原子之间可以共享电子。例如，氢分子由2个氢原子组成，每个氢原子都与另一个共享自己的单电子，结果是两者都能满足于具备2个电子的完整壳层。

氢分子（H₂）由1个共价键连接2个氢原子

玻尔的原子模型中，电子被框定在各自的轨道上。这样一来，电子依然可以如路易士所设想的那样作为原子结合的介质。两位科学家的理论结合起来，充分解释了元素周期表中各族元素所呈现的反应模式。1923年，玻尔将量子理论应用于解释原子结构，彻底澄清了这个问题，并进一步解释了利用光谱学观察到的光的特性。

在玻尔的理论中，电子占据着各自的轨道，运行在层内，而各轨道有着不同的能量级。原子会用电子填充各个轨道，从能量最低的轨道（离原子核最近）开始，逐渐填充到能量较高的轨道。这就是“递建原理”，由玻尔和奥地利裔物理学家泡利（W. Pauli）在20世纪20年代初共同提出。