再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第二節

2.2 化學鍵和分子

        在日常的化學中——包括生物化學，即發生在人類體內和其他生物機體中的化學反應——只是原子的電子層積極參與，原子核僅僅是乘客。有一些規則約束着電子的行為並因此決定着每種元素的化學反應性能。這些規則中的一條指出電子很喜歡結對。如果一個原子的所有電子都能在這個原子殼層內結成對子，那麼這種元素通常反應性很低。氦就是一個例子（見圖2.1），它在自然界中以單原子氣體存在。相反，氫和鋰原子在它們的殼層內有未結對的電子，因此它們有比較活躍的反應性。兩個氫原子能夠通過結合，共用一個啞鈴形的電子軌道（化學術語為軌道），從而滿足電子的喜好。這個共享的電子對在兩個氫原子間形成一個化學鍵，這樣就構成了一個氫分子（H2 ）。鋰能夠同其他原子發生類似的反應，然而兩個鋰原子不會形成一個穩定的分子。

        有些元素的原子在它們的殼層中有不止一個未結對的電子。例如，氧原子有兩個，氮原子有三個。在氮氣中，雙原子氮分子中的所有電子都能夠結對（N2）。為了表示這個分子中有三個共享的電子對或化學鍵，N2可以寫成N三N，而H2由於是單化學鍵，所以用H-H表示。

        與氮氣不同，分子態的氧（O2）無法使所有的電子都圓滿地結對，它的電子結構可以寫成，表示有一個穩定的電子對形成，而另外兩個電子則用圓點表示依然“獨身”。內部電子對的不同表明了氧和氮的反應性的明顯不同。例如與氫氣混合的時候，氮氣只有在非常高的壓力和溫度的條件下才能與氫氣發生反應，（腳註2）而氧氣只需要火花就會與氫氣發生爆炸反應，

2 H2 + O2 → 2 H2O。反應的生成物就是水；水的化學健的結構可以寫成H-O-H，這就是說，在這個分子中，氧的電子的結對需要都得到了滿足。因此水是一種相當穩定的分子。氧氣還能和碳發生反應，生成一種穩定的物質二氧化碳（CO2或O=C=O），並再次釋放出能量，這與其他許多元素相似。氧氣的廣泛的反應性在熟知的燃燒和腐蝕的研究中表現出來。

        在未結對電子與化學反應性的關係中，不只氧分子是這樣。下面我們將會看到電離輻射可以把本來穩定的原子和分子中的電子對拆散，從而變得容易反應。在探討這個效果的生理學意義之前，我們將先介紹輻射和放射性的物理基礎知識。

【腳註】

2，分子態的氮氣和氫氣在高壓高溫下發生反應——即3H2+N2→2NH3，用NH3表示氨——這就是哈伯-博施法，是工業化生產氮基肥料和炸藥的重要方法。