物質為什麽化合？

物質為什麽化合？為了穩定，那怕是暫時的平衡；為了低能耗，為了更長久。物質當然沒有意識，穩定是它們與生俱來的趨勢—從大爆炸開始，否則就要再變，直至一種更穩定的結構。天體、水滴為什麽都是球狀的？因為對於給定的體積，球的表麵積最小。為什麽物體總是走短程線？因為耗時最少。本文要從原子結構來探討物質的穩定性。

在化學中，兩個原子通過共享電子對而緊密地結合在一起。單個原子，盡管可以獨立存在，但是不穩定的。在常溫下為氣態的原子，H，N，O，F，Cl，Br，I，需要兩個結合在一起，形成氣體分子才能自然存在。至於惰性氣體原子，He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn，因為最外層的電子軌道已經飽合（He達到s2，其它均達到s2p6），是最穩定的存在，不需要與其它原子相結合。相反，其它原子寧可得/失外層電子，形成離子，也比單個原子更穩定。

堿係金屬（Group A1，H, Li, Na, K, Rb, Ce, Fr）總是丟掉外層的單個s1電子、堿土金屬(A2, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra)總是丟失外層的兩個S2電子，形成一個陽離子，等同於次一級的多芯原子。氫原子丟失一個電子後，就成了質子；盡管穩定，反應性超強。與鹵族元素相結合，可以形成強酸。最強的酸便是過氯酸（HClO4）,其次是硫酸（H2SO4）, HI, HBr, HCl, HNO3, 水合離子H3O+。H+與氧原子結合形成氫氧離子OH-，構成堿的要素；在有機化學中，又稱為Hydroxyl，是酒精（Alcohol）的要素。當然，最強的堿是陰離子CH3(-), 其次是H-, NH2(-)。

氫鍵是一個氫原子與另一個電子親和性較高的原子（如F，N, O）之間的相互作用。它比離子鍵、共價鍵要弱，但是比分子間的Van der Waals（範德華）力要強。此鍵是極性的（Polar Covalent）。水分子既是酸性的，又是堿性的；幾乎可以溶解一切物質，因為水可以形成廣泛的氫鍵。

對於鹵族元素（A7, F, Cl, Br, I, At），它們的p軌道還差一個電子就飽和，有一個孤電子（沒有成對），因此總是希望得到一個額外的電子。兩個同種原子相結合，可以形成很強的共價鍵；與堿係金屬相結合，形成更強的離子鍵：其鍵能更高、更穩定；因而液態物質的沸點更高。另一方麵，F、Cl、Br可以丟掉外層（s2p5）的1、3、5甚至全部7個電子，變成陽離子，實現氧化反應（Oxidation）。兩個鹵族元素也可以化合，形成反應性很強、也就是很不穩定的分子 XYn, n可以取值1、3、5、7。

氧族元素（A6: O, S, Se（非金屬）, Te（類金屬）, Po（金屬））也具有較高的負電性和電子親和性，因為其外層電子結構為s2p4，p軌道有兩個未成對的電子，可以形成兩個鍵，通常帶有2個負電。與兩個氫原子形成易揮發的化合物H2X，或PoH2。但是，負電性更高的氟元素F和氧元素，可以把它們氧化到+6或者+4的狀態，形成諸如SF6、SO3等物質。值得一提的是臭氧O3，很強的氧化劑、也是很不穩定，可以吸收太陽的紫外線輻射，將其轉變為熱能，保護著生物細胞免受傷害。

硼族A3包含硼（類金屬）、鋁、Gallium、Indium和Thallium，每個具有三個外層電子，結構式為ns2np1;通常丟掉3個電子成為+3階陽離子；但Ga、In、TI也可以隻丟掉1個電子。TI可與水發生劇烈的化學反應，釋放出熱、火焰，產生爆炸性的副產品如氫氣，而且劇毒無比。

對應於A3合8的氮族A5, 最外層有5個電子；它們通常獲取3個電子成為-3階的陰離子（如NH3, PH3, AsH3, BiH3）;但是也可以丟掉外層的5個或者3個電子，成為陽離子。而氮甚至可以丟掉1個、兩個、四個電子，成為帶奇數電荷的陽離子；以至於有人懷疑氮基生命的存在。氮族的氧化物通常是酸，如著名的銷酸NHO3; 還可與鹵族化合，除氮外，其它鹵化物都是電解質。

最複雜的就是主族中的A4-碳族（包括C, Si, Ge, Sn, Pb）了。它們的外層有4個電子，p軌道中有兩個孤電子；通常的狀態是丟掉兩個或者四個電子，而碳元素還可以獲取4個電子。它們一般形成共價鍵，可以+4階形成氧化物、硫化物、鹵化物。兩個碳原子還可以結合，形成很強的碳鍵：鑽石堅硬無比、石墨可軟可硬。碳水化合物形成了千萬種有機分子，是生命的基石。

過渡元素包括B族1到8，外層是d軌道，以及f軌道的鑭係（Lanthanum）、錒係（Actinium），都含有空軌道或者孤電子。B1族的Cu、Ag、Au、Rg，外層電子結構為 nd10(n+1)s1，通常呈現+1的狀態，但Cu可以是+2。B2族的Zn、Cd、Hg、Cn，外層電子結構為 nd10(n+1)s2，通常呈現+2的狀態；沒有孤電子了，可n + 1的能級隻有s軌道。當d軌不滿10時，為了更穩定，s電子通常跑到下一能級的d軌道上。在形成陽離子時，它們首先丟掉s軌道的電子，然後再丟掉d軌道上的電子以進一步離子化。Titanium的外層電子式為 4s2 3d2，可以丟掉s2後，再丟掉d上的1個或2個電子，從而有三種離子態。

現已探明的穩定核素（Nuclides）有253種之多。其中29種的半衰期比宇宙的年齡還要長（如Bismuth-209）；而Thorium-232、uranium-238、uranium-235、potasium-40的半衰期在70億年到140億年之間。在元素周期表中的元素，序數大於83的元素的同位素都是放射性的。序數大於92（Uranium）的元素都是人工合成的。現在，人們已經把120個質子、電子合在了一起，還能更多嗎？理論上是無限可能的，但是需要至少同等數目的中子，才能讓它暫時穩定。

觀察發現，當外層電子數為偶數時，核素比那些為奇數者更為穩定。而當質子數或中子數為2，8，20，50，82，126時，核素最為穩定；這幾個數被稱為化學上的魔法數。前兩個數滿足n個能級（n也就是周期數）所能容納的最大電子數 2n^2；第三個數是 2[n^2 + 1^2] ；第四、五個數是 2[n^2 + (n-1) ^2] ；這都滿足最大量子態的要求。中子數為126的核素有，Neptunium-219, Uranium-218, 並不穩定；91Protactinium-217、90Thorium-216、89Actinium-215、83Bismuth-209等等都不穩定，隻有86Radon-222的半衰期為3.823天，84Polonium-210的半衰期為138.376天；看來126這個數是一些人以訛傳訛。化學家們還漏掉了一個關鍵數字：26, 對應於穩定的鐵元素，它是 2[3^2 + 2^2] ！請注意，這不是126，而是26。鐵的四個同位素的半衰期超過 4.4 × 10^20年。

總之，穩定核素的質子數或者電子總數應當等於2n^2或者2[n^2 + m^2]。這些完全平方數表現出來的隻是表麵現象；核素中那些壽命隻有幾納秒的粒子才是解釋穩定性的關鍵所在。要了解宇宙的終極奧秘，人類必須得達到誇克層次。

[望沙]

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