初中物理大赛中常见键级的估算方式及应用
周学兴
湖北省宜昌市第二中学江西九江
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摘要
从实际教学角度探讨中学物理大赛键级估算的几种常见方式—定义法、p键键级贡献估算、共振式法，浅显易懂，可以为处在学校物理奥赛课程培训班主任及中学生提供新的视角。
关键词
物理奥赛；键级；估算方式
《化学教育》2011年第4期田益民老师等老师撰写的《化学大赛中的键级问题》和2012年第4期周昌勇老师撰写的《用不饱和度估算键级的研究》阅读后受到启发，本文简述了个人在中学物理奥赛课程教学中对键级估算的理解。键级描述分子中相邻原子之间的成键硬度的数学量，表示键的相对硬度。键级越大，分子越稳定，键长越短，键能越大，越不容易破裂。物理大赛中键级的考察，主要用于定性剖析键长的长短、强弱、物质的稳定性和推论微粒结构式，在科学研究中，实验检测值常常可以用键级来解释一些反常的情况。对结构剖析过程中，采用以下方式。
定义法
1.1分子轨道理论
分子轨道理论对键级的定义：总键级=(分子中成键轨道电子总量-反键轨道电子总量)/2，即MO法[1]。总键级是所有原子间共价键数之和，对于四核分子，总键级即为原子间的键级。第二周期同核双分子分子轨道及键级的对应结果见表1。
常见异核双分子分子轨道与键级对照表，见表2。
1.2八偶律与键级估算
八偶律是指一个由主族元素(H和He除外)组成的分子，其中每位原子都倾向于达到稳定的8个电子的电子组态，本质是主族元素，并提出了分子骨干的键数b=1/2(8n-g)[2]。基于EO法本文提出了借助价电子数估算键级的公式，对于短周期元素微粒，具有很强的实用性：
须要估算出电子位数、电子数、空位数方能估算出键级，其稳定结构的电子总量指各原子达到最内层2电子或8电子的价电子总量。
1.2.1同核双分子
1.2.2异核双原子分子，设两原子的价电子数分别为a1和a2。
1.2.3当对象是四核离午时：
双原子微粒通过键级的估算可以简单的推导入结构式，但这是基于VB法得出的推论，难以解释O2的顺磁性，可通过分子轨道理论解释存在单电子轨道。但非整数键级借助VB法可定性预测出微粒具有顺磁性。
双原子微粒结构较为简单，多原子结构相对复杂，可通过估算总键级，依据中心原子的价层结构，推论或预测微粒的结构。
1.2.4过渡元素通常不符合八偶律，产生共价键键级的估算可作类似的拓展，剖析如下：
主族元素：
过渡元素：
1.2.5按照EAN规则即18电子规则，估算碳基配合物的键级，有利于剖析配合物的结构。非常多核配合物可以有效的借助中心原子满价电子数与官能团提供电子数的关系
配合物是物理大赛中必考的内容，而配合物的结构书写又是考查的重点，本文从键级估算的角度剖析了怎样解决配合物的结构书写问题。
四核微粒，总键级即为原子间的键级；多核微粒的总键级仍可定义法估算高中化学竞赛，若微粒是一个离域共轭体系，相同原子间的键级相同可简单的平均化，NO3-和CO32-均属于这种，即总键级乘以3即可，HN3并非完全的离域体系不能简单化的将总键级乘以3，故须要具体物质具体剖析。多核微粒的原子间键级估算多采用下述两种方式。
p键的键级贡献估算
p键构建在s键的基础上，在价键理论中，用成键原子间共价单键的数量表示键级，故路易斯结构式可以挺好的解释键级。路易斯结构式的书写是中学物理大赛考题考查的热点。
2.1定域p键
已知结构式且不含离域p键的微粒可直接通过路易斯结构式数出原子间的键级及总键级。浅显的理解键级=物理键数。
2.2离域p键
离域p键对键级的贡献并非100%，而是一个加权平均值。离域p键的路易斯结构式存在共振式，故通常借助共振式的书写，来估算离域p键对键级的估算，在此不赘言。本文采用的方式借助p键分子轨道电子排布估算键级。公式：s键数+离域p键键级的贡献值。
对于离域p键分为直链共轭体系和环状共轭体系两种情况。
2.2.1直链共轭体系：
公式总结：含离域p键的两原子间的键级=1+p键电子键级总贡献/(a-1)，a为产生离域p键的原子数。分子轨道基态图，见图3：
2.2.2环状共轭体系
2.2.3分子某两原子间同时参与产生定域p键、离域p键
读者可借助总键级除以已知原子间的键级来求得未知原子间的键级，本文不予赘言。
对于简单的分子和离子均可用定义法和p键的理解估算方式进行简单的估算，但对于较复杂的分子，存在一定的局限性。田益民等老师在《化学大赛中的键级问题》[3]一文中详尽介绍了基于路易斯结构式理论的共振式估算键级的技巧。下边给以简单介绍。
共振式法
该法对中学生路易斯结构式的理解以及共振式的正确书写要求较高，是对中学物理大赛生的一项基本能力的要求。借助此法解析键级估算有助于中学生正确书写Lewis结构、共振式。
应用
例在月球的电离层中，可能存在下述离子：ArCl+、OF+、NO+、PS+、SCl+。请你预测哪一种离子最稳定？哪一种离子最不稳定？说明理由。
键级的考察，在全省小学生物理奥林匹克大赛(复赛)高考查不多，但键级的估算对于提高相关路易斯结构式、分子轨道、共振式的书写能力有很大的帮助。
本文主要探讨了借助分子轨道估算键级的简单定义法，并系统的剖析了常见四核微粒键级估算的物理公式；详尽地解决了多核微粒键级估算的问题。估算键级还有好多其它方式，周昌勇老师[4]另辟蹊径从不饱和度角度估算键级等等。本文从实际教学过程中探讨了三种估算微粒键级的简单方式，浅显易懂，适宜中学生参阅并用于实际估算应用，在实际理论基础上似乎存在好多缺陷，有待建立，在此不深入赘言。
参考文献
[1]上海师范学院等校合编.无机物理(下册).第4版.，上海：高等教育出版社，2003,82-93
[2]潘道铠,赵大成,郑载兴.物质结构.第2版.上海：高等教育出版社,1989,150-187
[3]田益民,陈凯.物理大赛中的键级问题[J].物理教育,2011,32(4):76-80
[4]周昌勇.用不饱和度估算键级的研究[J].物理教育,2012,33(4):70-71,74
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