2009年5月31日 星期日

有機化學的基礎68(下)

徐弘毅:

1.       原子數量一樣、結構一樣的分子,為什麼只要骨架上的其中一個原子的「p軌域」,多一個電子(自由基)或少一個電子(陽離子),引起共振,就能大大增加穩定度呢?

2.       一個分子的穩定度會比較高,一定是構成這個分子的原子,彼此之間的萬有引力更強。

3.       萬有引力定律:『宇宙間的一切物體,彼此有一個吸引力的作用,其大小與質量的乘積成正比,與兩物體間的距離平方成反比。』也就是二物體的質量愈大,引力愈大;距離愈近,引力愈大

4.       「烯丙基陽離子C3H5」和「丙烯C3H6」相比,「烯丙基陽離子C3H5」失去1個氫原子和1個電子,好像四平八穩的建築物被抽掉一根柱子,那會如何?搖搖欲墜,這個現象在分子的世界稱為「共振」:電子在不同化學鍵之間跑來跑去。

5.       建築物的質量與地球相比太小,受地心引力影響,最後的結局一定是倒塌,但是,分子系統裡的原子太小,引力活動不受地心引力的影響,比較受到原子彼此之間的影響,所以,抽掉「1個氫原子、1個電子」的結果是,骨架上的每個碳,把多餘的引力用來吸引靠近的電子或原子;這會造成什麼現象?

6.       從電子的角度來看,失去電子的原子,向其他原子爭奪電子,造成「p軌域的電子」在不同的碳原子之間跑來跑去,這叫共振,也稱為「非定域化作用」,白話文的意思是「電子不會固定在某個地方」;從原子的角度來看,失去氫原子的碳原子,為了填補引力的空缺,只好去爭奪鄰近的原子,結果就是讓彼此的距離變小,距離變小,萬有引力就會變大

7.       牛頓的三大運動定律,是為了解釋萬有引力所發展出的三條規則,萬有引力的解釋是否成立,必須再經過三大運動定律的檢驗。

8.       慣性定律:物體若不受外力作用,則它的運動狀態恆維持不變

9.       烯類分子的原始狀態是像「丙烯C3H6」那樣,雙鍵固定,每個電子保持在原本所屬的原子的軌域範圍 (不會在不同化學鍵之間共振),這是所有的烯類分子的慣性,也就是所有烯類分子都努力追求的平衡狀態。

10.   如果我們增加一個外力F,破壞慣性,奪走「丙烯C3H6」的1個氫原子、一個電子,製造出一個「烯丙基陽離子allyl cation」,那麼,這個外力必須反映在質量與加速度上,做出一個抵銷外力的動作,讓「烯丙基陽離子」陽離子重新取得平衡,不然分子就會瓦解。

11.   因此,電子出現了「非定域化」的運動,大幅度並且快速地在不同化學鍵間共振,而碳原子之間的距離也縮短。這符合牛頓第二運動定律和第三運動定律。

12.   運動定律(即F=ma):一個物體受外力F作用時,它的加速度a與F成正比,但是與其質量m成反比。加速度越快,力量越大;或者質量越大,力量越大。

13.   由於,「烯丙基陽離子」每個原子的質量不可能改變,能夠改變的只有加速度,所以,每個原子、電子就透過來回加速度移動,來彌補失去的電子與氫原子的引力;當二個原子加速度靠近彼此的時候,它們之間的距離也會縮短,萬有引力因此變大。

14.   作用與反作用力定律每對一個物體施一個力量,那個物體必同時產生一個反作用力,二股力大小相等,方向相反;施力的時候,反作用力同時發生,如果施力結束,反作用力也同時消失。

15.   我們可以將「非定域化作用」,看成維持慣性的烯分子被剝奪電子與氫原子的反作用力,「烯丙基陽離子」啟動「非定域化作用」之後,共振活動不斷持續,成為「烯丙基陽離子allyl cation」的特徵,也符合慣性定律。

16.   另一方面,「共振作用」本身也符合第三運動定律。失去氫原子的碳原子,為了彌補缺空缺,去吸引鄰近的碳原子;二個碳原子彼此愈來愈靠近,原子核的正電引力同時也吸引「p軌域的電子」靠近過來。

17.   但是,太靠近的時候,二原子互相吸引的力量變成排斥的力量,就像二顆撞球互碰,然後朝反方向彈開;

18.   這個反作用力,使得中間的碳原子朝向另一個碳原子靠近,加上碳原子本來就有填補失去氫原子的需求,這就使得二個碳原子不斷以加速度彼此靠近,這個引力,又再次吸引「p軌域的電子」靠近過來;

19.   於是,碳原子之間的距離變得像彈簧一樣伸伸縮縮,電子也跑來跑去的現象,這就是「共振結構」。

20.   牛頓的萬有引力,是物質世界的基本原則,一切物理化學變化,只是原子之間的距離與質量的變化,變化的過程,依據三大運動定律法則進行;在天文學的世界是如此,物理學的世界是如此,化學的世界是如此,有機化學的世界是如此,人類的社會也是如此。

21.   任何一個分子、離子、自由基,只要有共振結構resonance structures,讓電子能在不同化學鍵之間跑來跑去:「非定域化作用delocalization」,就會超乎尋常地穩定。任何人只要拿德智體群美五育輪流訓練自己,一定會發現自己很多缺點,覺得很辛苦,但是修養與智慧的卻會穩定成長。

22.   應用牛頓的萬有引力來解釋物質世界,要注意每一次我們所討論的事物,它的時間與空間大小範圍如何,如果忽略時空因素,沒有注意到每個情況的特殊性,應套公式就會出錯。如果有機會,我希望去牛津大學或劍橋大學教書。

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