量子化学基本原理与应用(6篇)

量子化学基本原理与应用篇1

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量子化学基本原理与应用篇2

中学化学基本理论的教学内容可分为微观结构和宏观规律两方面，它们是相互联系的。

为了使学生准确地、深刻地理解基本理论并能加以应用，在学习基本理论的过程中发展学生智力，培养能力。基本理论教学应注意以下几个方面。

一、要依从感性到理性、从具体到抽象的认识规律

1．通过实验，运用元素化合物的知识，形成理论认识。例如，温度和浓度对化学反应速度的影响，教材多选用Na2S2O3和H2SO4的反应演示。该实验有以下特点：现象鲜明，易于观察；易于比较反应进行的快慢；易于控制反应物的浓度。但是，Na2S2O3学生没有接触过，与H2SO4的反应也不了解，教学中应先让学生认识反应的过程和现象，才可通过其在不同温度、不同浓度下的不同反应，认识温度、浓度对反应速度的影响。

又如，浓度对化学平衡的影响。课本选用了FeCl3溶液和KSCN溶液的反应。也要先弄清楚FeCl3、KSCN、Fe（SCN）3、KCl等物质在溶液中的颜色和溶液颜色与溶液浓度的关系，才可进一步认识改变物质浓度对平衡移动方向的影响。为了说明降低反应物浓度平衡向逆反应方向转动，常在反应体系中加入还原铁粉以降低FeCl3的浓度，使平衡向逆反应方向移动。这种变化可以很容易地通过混合溶液的血红色变淡而观察到。但是，Fe3+可以氧化Fe而转变为Fe2+；Fe2+在水溶液中呈淡绿色等，学生尚未学习，因此，只有在补充了上述知识后，才可加以应用。即只有具备了一定的元素化合物知识，才能通过观察、思维，形成理论认识，在教学中应充分注意。

2．运用多种教学媒体，以实物、模型、图像、投影、计算机模拟等诱发学生联想，理解理论内涵，掌握规律方法。

有机化合物的同分异构现象和同分异构体的判定对于初学有机化学的学生有一定的难度，难点在于对平面结构式建立起立体空间观念，学习伊始即应打好基础。如一氯甲烷不存在异构体，但结构式可有四种形式若展示一氯甲烷的球棍模型，与四种结构式写法比较，学生会立即否定一氯甲烷有四种异构体的想法，并为今后认识有机化合物的同分异构现象奠定了以三维立体空间为思考出发点的思路。

理论规律的掌握要通过反复思考、练习、应用逐步深化，这个过程以思维训练为主。仍以同分异构现象为例，让学生回答下面的问题：甲烷分子是以碳原子为中心的正四面体结构，而不是正方形的平面结构，其理由是下列的哪一项：

（A）CH3Cl不存在同分异构体

（B）CH2Cl2不存在同分异构体

（C）CHCl3不存在同分异构体

（D）CH4是非极性分子

（E）CH4中的四个价键的键角和键长都相等。

在众多学生的答案中均只选（B）。其实，如果甲烷是平面正方形结构，其键角为90°或180°（从正交的两个平面看），不应都相等，因此（E）也是理由之一。可见，模型起着直观导入的作用，深化则要展开思维。

理论教学要切忌只停留在形象手段上，否则会出现难以想到的错误。在教学中曾运用氢原子的电子云图，了解电子在氢原子核外出现的几率从而认识电子云的涵义。当问到“从氢原子电子云图上看，其原子核外有多少个电子？”有的学生竟回答有几百个甚至几千个电子。很明显，这是对电子云图只停留在直观感觉上而没有进行正确的抽象思维加工的结果。

3．联系实际，运用比喻，突破难点。

联系学生已有的知识和生活实际，运用事物间的相似性，通过以甲喻乙，由此及彼，以降低理论学习的难度，使学生尽快地从具体事物过渡到抽象思维，理解事物本质，建立理论概念是理论教学常用的方法。这里，关键在于突破难点。譬如，有关可逆过程的动态平衡的性质和特征（如化学平衡、电离平衡、溶解平衡、水解平衡等）常用蓄水池进出水流的速度与池内蓄水量的变化之间的关系比喻化学平衡系统中正、逆反应速度与组分百分含量变化的关系；用蚊虫逐灯、蜜蜂采蜜、氢原子核外电子照片叠印等比喻模拟电子运动，想象电子云的形象；以“头碰头”、“肩并肩”比喻电子云重叠方式等。应当明确，比喻具有“启发入门”、“搭桥过渡”的作用，利于学生接受理论，而不是理论本身。要注意不可滥用比喻。

二、运用归纳、演绎方法形成理论，发展思维

化学基本理论与元素化合物之间存在着内在的、本质的、统一的联系。基本理论的教学，一方面以元素化合物知识为实际材料，通过归纳演绎的方法建立理论概念和规律；另一方面又要通过基本理论分析研究具体的元素化合物的结构、性质、用途，系统地掌握元素化合物的知识。两者相互依存，相得益彰。

（一）归纳

1．由元素化合物知识归纳概括理论规律

元素周期律的教学是采用归纳事实形成规律的典型实例。由原子最外层电子排布的周期性、原子半径变化的周期性、元素主要化合价变化的周期性、由碱金属钠到惰性元素气体氩的典型的性质递变和突变、氢氧化铝的两性等大量化学事实，归纳得出元素性质随原子序数递增呈现周期性变化的规律以及同一周期、同一主族原子结构和元素性质变化的规律。

由元素化合物知识归纳概括形成理论规律是化学基本理论教学最常用的教学方法。在归纳的过程中，渗透着矛盾的普遍性寓于矛盾的特殊性之中的辩证观点，是培养学生从特殊到一般的归纳思维能力的最佳教材。

不可忽视的是，应用归纳方法形成规律要使学生领会到个性包含着共性，通过个性认识共性。但要认识到个性有些性质能反映共性的本质，但也不是所有性质均为共性的反映。在化学学科中，从一定数量个别事例中概括出来的理论规律，不一定是所有个体的共性。这是学生在学习理论，应用理论时的一个突出的难点，常犯“以偏概全”的错误。学生常说“化学中的特例太多”。如“所有原子的原子核都是由质子和中子构成的（氢原子除外）”“所有非金属氧化物都是酸性氧化物（CO、NO）除外”“烃基和羟基直接相结合的化合物属于醇类（芳烃基除外）”等。在理论教学中，教师应通过实例和学生易进入的“误区”，通过练习给予订正、补充，使学生逐步学会正确的进行归纳推理，全面地掌握理论规律。

2．以基本理论为指导，归纳、概括元素化合物知识

元素化合物知识约占现行中学化学教学内容的50％以上。教材的编排，基本理论与具体知识穿插交错，这就为以理论为指导，对元素化合物知识进行系统归纳，使之贯穿于全部化学教学之中提供了条件。

譬如同素异形体的判定，多数学生采用个别记忆的方法。学习了物质结构理论以后，可引导学生应用所学理论，归纳同素异形体的分类判定方法：①单质分子中原子个数不同②晶体结构不同③气态单质（除氧外）一般不出现同素异形体。④金属元素的同素异形体中学教学中不作要求。

为了便于学生系统地掌握重要的非金属气态氢化物，如氯化氢、硫化氢、氨、水、甲烷等；中学教学涉及的某些氢化物如氟化氢、溴化氢、碘化氢、磷化氢、硅化氢、砷化氢、硒化氢、碲化氢等的结构与性质的关系，可从分子构型与主要化学性质之间的联系进行归纳总结。

依据上述氢化物分子构型与性质的关系可归纳下列几点：

（1）稳定性与分解难易的关系

氢化物越稳定，越难分解；氢化物越不稳定，越易分解。并可由稳定性推断气态氢化物的形成条件。

（2）氢化物分子构型电荷分布的对称性分子的极性极性的强弱

（3）分子极性的强弱水水溶性大小相似相溶规律。

（4）NH3、H2O、HF沸点的异常、极易溶于水与氢键的关系。

（二）演绎

演绎是指应用一般规律解答特定问题的过程，是从一般到特殊的思维过程。应用物质结构理论、反应速度与平衡移动规律、电解质溶液理论、无机物反应规律、有机反应基本类型等理论解答相应具体问题，一般都采用演绎推理方法。通过理论教学应使学生在逻辑思维方法方面受到训练和教育。

根据理论规律进行推理、判断以及预测时要着重教育学生理论成立的条件（前提）和应用范围，这一点至关重要，对于化学理论规律的应用，显得尤为突出。要抓住典型事实，通过学生自己的思考练习，正确运用理论，发展思维能力。

譬如，化学平衡移动规律中压强对平衡的影响。规律的叙述为：在其它条件不变时，增大压强，平衡将向气体体积减小的方向，即气体分子数减少的方向移动；减小压强，平衡将向气体体积增大的方向，即气体分子数增加的方向移动。这里，应用规律的前提有三点：①反应体系中必须有气体，②反应前后气体物质的分子数不相等，③改变压强的措施应为增大反应体系的体积或缩小反应体系的体积。第③点易被忽略，因为采取其它措施改变体系压强上述规律不一定适用。例如，二氧化硫催化氧化反应在密闭容器中已建立平衡：

若向密闭容器中增加一定量的SO2，则平衡体系压强增大，平衡向正反应方向移动，符合上述规律适用。若向密闭容器中增加一定量的SO3，则体系压强同样会增大，但由于提高了生成物SO3的浓度，平衡将向逆反应方向移动。可见，改变压强的措施不同了，失掉了原来规律成立的前提条件，原来的规律不再适用。

理论规律成立的前提和适用范围，往往是很细微的问题，不得掉以轻心。处理得当，对培养学生思维的严密性极为有益，请看下例。

“在1升纯水中加入8滴0.1摩／升的盐酸，溶解均匀后，取出1毫升，加水稀释至1升，问最后所得稀溶液的pH值是多少？”（每滴为1／20毫升）

这里有三种计算方法：

（1）先算加入HCl的物质的量：

再算加入HCl后溶液的浓度：

4×10-5÷1=4×10-5（摩／升）

最后算稀释后的浓度及pH值

这个结果是不可思议的。为什么酸溶液的pH值会大于7？问题出在没有考虑水的电离。用水稀释时，水的［H+］=10-7（摩／升），比计算结果的4×10-8还要大。可以这样理解，当酸（或碱）的浓度在相当大的条件下，水的电离才可忽略不计。现在酸的浓度太小，仅为4×10-8（摩／升），水电离提供的［H+］不可不计。

（2）计算水电离出的［H+］：

H2OH++OH-

［H+］=10-7（摩／升）

HCl电离出的［H+］=4×10-8（摩／升）

［H+］的总和=4×10-8+10-7=1.4×10-7（摩／升）。

pH=-lg（1.4×10-7）=6.85

以上算法也有错误，忽视了水的电离平衡的移动，即加入的酸对水的电离平衡的抑制作用，即实际上［H+］应小于1.4×10-7。

（3）设水电离出的［H+］=x（摩／升），则[OH-]亦等于x（摩/升）。

溶液中［H+］总和=x+4×10-8（摩／升），

则有：（x+4×10-8）×x=10-14

x=0.82×10-7

pH＝-lg［H+］=lg（0.82×10-7）=6.91

分析三种结果，可以得出下列结论：当加入酸电离产生的［H+］＞7×10-6时，忽略水的电离；当加入酸电高产生的［H+］＜10-8时，忽略水电离的影响，PH值可确定为7；当加入酸电离产生的［H+］在10-6~10-8之间时，选用第三种计算方法。

在高中阶段，学生的化学知识积累和抽象思维能力都有可能多采用演绎推理的方法进行教学，以利于促进学生智能的发展。

三、坚持理论联系实际的原则

化学基本理论教学首先要做到与元素化合物知识相联系，认识元素化合物的结构、性质、制取方法以及在生产、生活、科技各个领域的用途；了解化工原理、工艺条件的选择以及化学科学发展的历史成果和当代化学科学技术的最新发展。

如果从1823年道尔顿提出原子论作为近代化学的起点，化学对物质及其组成结构的认识已走进了一个有自己科学理论的时代。

20世纪末期，化学在原子、分子水平的理论研究已获得了突出的重大成果。1962年英国化学家巴特利特根据理论推断认为Xe+（PeF6）-应当存在，结果获得了成功，在实验室的条件下，合成了第一个稳定的惰性元素化合物，揭开了惰性气体元素化学新的一页。超导材料和高温超导材料的制取和应用是20世纪整个一个世纪世界科研的尖端课题。自1911年荷兰科学家发现汞的超导现象以来到本世纪90年代，我国科学院物理所和世界许多研究机构已制备出了临界温度高于90K的超导材料，使其在实际应用方面迈出了一大步。1989年米兰的安聂里合成了第一个分子梭，一个带正电的分子环自动往返于两个对苯二酚的残基之间，并测定了频率为500次／秒。1990年波兰的毕达斯基维茨合成了世界上的第一个分子列车，其频率为300次／秒。化学已经是在原子、分子水平上具有完整理论体系、推动世界高新科学技术发展的一门科学。

化学科学的理论与技术的发展是和世界最新科学技术的发展紧密联系、相互推进、相辅相成的。当今的化学科学不仅在地球表面重力场的作用下研究化学过程，并已开始系统地研究物质在磁场、电场、光能、电能、声能的作用下的化学变化，并已开始了在强辐射，太空失重、高真空等的条件下化学过程的研究。

今天的化学已不是单纯的、孤立的、理论研究的学科，它和国民经济、社会生活紧密联系的各部门、各学科、各个技术领域相互渗透。生物科学、生命科学、能源科学、环境科学以及高新技术的发展也为化学研究提供了技术手段，也带来了新的课题。例如，由于检测仪器灵敏度和选择性的不断提高，20世纪八十年代对某些样品量的检测要求可降至10-13克。当血浆中的四氢大麻醇的含量降至10-11克／毫升的水平，化学家仍能准确地检出它的存在，成为运动员因服用兴奋剂而被取消成绩的法定事实。

量子化学基本原理与应用篇3

一、原电池与电解池的相关问题探讨

1．原电池的形成条件

原电池的工作原理：原电池反应属于放热的氧化还原反应.还原剂与氧化剂之间的常规碰撞不会使原电池的电子产生转移，原电池的电子转移是还原剂在负极上失电子发生氧化反应，电子再通过外电路传送到正极上，氧化剂在正极上得到电子发生还原反应，进而实现氧化剂与还原剂之间的电子转移.而两极之间溶液中的离子按照固定的方向移动和外部导线中的电子按照固定的方向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不停地发生有规律的电子转移，产生电流，实现化学能转化成电能.

原电池的构成条件：（1）电极材料由两种不同活动性的金属或由其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成；（2）两电极之间有导线连接，形成闭合回路；（3）两电极一定要浸泡在电解质溶液中.以上三个构成条件都具备才可以构成原电池.

2．电解池判断及反应的类型

电解池是将电能转化成化学能的装置.电解池的两极分别是阳极和阴极.电解池的阳极与电源正极相连，表现为元素价态升高、电解质溶液中的阴离子失电子发生氧化反应；电解池的阴极与电源负极相连，表现为元素价态降低、电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应.

3．原电池与电解池相关教学重难点

以原电池和电解池原理为主的电化学是历年高考都会考查的重点的内容.该部分专题考查的主要内容涉及：原电池原理的理解与掌握、化学腐蚀与电化学腐蚀方法的理解、电解的基本原理的理解及应用.高考考查的方式除了以教材上的原电池和电解池原理为基础的直接考查外，还会将原电池与电解池领域的新科技和新应用实例结合高中化学课程目标进行信息迁移式的考查，进而考查学生对教材基础知识的掌握情况和实践创新能力.

4．原电池与电解池反应式的书写

要能正确书写原电池与电解池反应式，就要求学生掌握牢固的知识基础，否则生硬地要求学生掌握该部分的内容是比较困难的.根据高中电化学的教学经验：氧化还原反应中一定要存在电子的转移，任意一个自发进行的氧化还原反应都能够设计出一个电池.采取恰当的方法就可以让转移的电子通过外电路产生电流，从而对外供电.一个总的电池反应就构成了一个氧化还原反应，这是化学电池的理论基础.

在书写电极反应式时应遵循下列原则：（1）质量守衡原则：即反应式的两边各元素原子的总数要配平；（2）电荷守恒原则：即反应式两边电性相同而电量相等；（3）电子守恒原则：即负极反应式中失电子的总数要与正极反应式中得电子的总数相等；（4）事实性原则：即书写的反应式要与实际相符.

正极：（1）当负极材料能与电解液直接反应时，溶液中的阳离子得到电子.例如，锌铜原电池中，电解液为HCl，正极H+得电子生成H2.（2）当负极材料不能与电解液反应时，溶解在电解液中的O2得到电子.假若电解液呈现酸性，O2+4e-+4H+=2H2O；如果电解液呈中性或碱性，O2+4e-+2H2O=4OH-.

负极：活泼金属失电子，看电解液中是不是存在很多的阳离子.如果金属阳离子与电解液中的离子无法共存，就进行进一步的反应.例如，甲烷燃料电池中，电解液为KOH，负极甲烷失8个电子生成CO2和H2O，但CO2不能与OH-共存，要进一步反应生成碳酸根.

二、高中化学原电池与电解池教学问题分析

对于原电池与电解池的学习，学生只靠记忆是肯定不行的，如果缺乏对这部分知识的真正理解，就无法掌握和运用.即便暂时可以解出某些试题，也不会长时间地灵活运用.在“原电池”与“电解池”的教学中，我们发现学生对于原电池与电解池的判断与区别存在一些问题，这与学生在原电池与电解池的学习不牢固有很大的关系.

同时，有些化学教师在教学中缺乏对学生在原电池与电解池概念与实验操作上的教学.虽然原电池与电解池的内容在教材有一些演示实验，但这两种演示实验的现场操作性和实验观察性较低，实验装置也比较小型，学生印象不够深刻，记忆不够牢固.

三、高中化学教学中原电池与电解池的综合试题分析

1．原电池与电解池原理的理解与运用

例1将质量分数为0.052的NaOH溶液1L（密度为

1.06g•cm-3）用铂电极电解，当溶液中NaOH的质量分数改变了0.010时停止电解，则这时溶液中应符合的关系是（）.

NaOH的质量分数阴极析出的物质的质量/g阳极析出的物质的质量/g

A0.06219152

B0.06215219

C0.0421.29.4

D0.0429.41.2

分析：本题主要考查考生对电解原理的理解.在设计试题时特意给学生留了一些可以应用的信息，以此考查考生在这方面的思维能力.

常规解法：由题设条件可知，1L的NaOH溶液中含有的溶质质量为：

1000mL×1.06g•cm-3×0.052=55.12g

电解稀硫酸，事实上消耗了水，使溶液浓度增大，停止电解时，溶质的质量分数为0.062.

停止电解时，溶液的质量为55.12÷0.062=889g.

被电解的水为1060g-889g=171g.

根据电解水的化学方程式可求得，在阳极析出的氧气为171g×1618=152g，在阴极析出的氢气为171g×218=19g.

答案为B.

非常规解法：根据电解NaOH溶液事实上是电解水这一结论，部分学生就会得出，溶液中溶质的质量分数随着电解的进行逐渐增加，这样，C、D两项就可以排除.电解水是阳极析出氧气，阴极析出氢气，它们的物质的量之比应为21，前者质量大于后者，只有选项B符合题意.

2．原电池与电解池反应式书写

例2熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，所以实际应用也很多.可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气体为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：阳极反应式：2CO+2CO2-3－4e=4CO2

阴极反应式：，

电池总反应式：.

量子化学基本原理与应用篇4

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量子化学基本原理与应用篇5

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量子化学基本原理与应用篇6

摘要：

通过追踪原始文献，分析结构化学中价键理论部分的教学内容，特别是对氧气分子基态电子结构的处理，发现价键理论不仅能够正确解释或预测分子结构，而且对芳香性、铁磁性等化学键本质的描述表现更优。

关键词：

价键理论；化学键；氧气；芳香性

1引言

价键理论与分子轨道理论是预测分子结构与化学键本质的代表性模型，也是结构化学课程教学的重要内容[1－10]。两种理论的区别在于构造波函数的方式不同。早在1916年，Lewis[11]就提出了“电子对键”的思想。1927年，Heitler与London[12]在处理氢分子结构时首次采用两个氢原子基态电子波函数的乘积表示电子对键，通过共振结构波函数的线性组合获得薛定谔方程的解。随后经过Sugiura、Rosen、Hylleraas、特别是我国量子化学先驱之一王守竞等[13]的发展，Pauling[14]在1931年建立了较为完善的电子对键与杂化轨道理论模型，随后以电子配对形成定域化学键为核心思想的价键理论，凭借其既直观又能定量计算的优势，得以在化学领域迅速推广应用。与此同时，Mulliken[15]提出了分子轨道理论，虽然同样受Heitler与London处理氢分子的启发，但是他们将分子中的每一个电子分开来考虑，即所谓的单电子波函数近似，把分子的多电子Schrodinger方程转化为多个单电子运动方程。由于数值计算的困难，直到六十年代，分子轨道理论才随着计算机技术的飞速发展和计算软件的普及得以广泛应用。特别是近年来大量几乎“黑盒子”式的商业模拟计算软件的涌现，使得分子轨道理论逐渐取得了在量子化学领域的统治地位。与此同时，部分面向本科生的结构化学教材也存在着一些关于价键理论缺点的说法[5－8]。例如，价键理论无法正确得到简单氧气分子基态的结构与性质，特别是实验测定的顺磁性；对于环丁烯、C5H5+的结构、甲烷分子的光电子能谱等问题价键理论也无能为力。相反地，这些价键理论的问题，分子轨道理论则可以给出正确的预测或解释。诸如此类看似矛盾的论述不仅是对结构化学学科严谨性与科学性的损害，而且不利于结构化学的教学工作，更让刚开始学习结构化学的学生感到困惑，严重影响了他们学习结构化学、从理论角度思考化学问题的兴趣。因此，我们认为很有必要对价键理论进行深入探讨，澄清事实真相，恢复对价键理论应有的认识与评价。本文以氧气分子为例，结合文献调查与分析，对其基态结构与化学键特征进行了详细讨论。证明价键理论不仅能够正确定性描述氧气分子的成键与顺磁特性，而且还可以定量计算得到其化学键本质。然后通过对环丁烯芳香性判断以及锂金属团簇的不成对铁磁性键两个具体例子，表明价键理论在处理复杂分子体系结构与性质方面同样优越。最后通过分析价键理论与分子轨道理论的本质，探讨了两种理论的一致性。

2价键理论对基态氧气分子结构的解释

光谱实验证明基态氧气(O2)分子为三重自旋态，即包含两个未成对电子，呈顺磁特征。根据分子轨道理论，两个O原子的2p轨道可以形成两个π成键轨道与两个π*反键轨道。按照Aufbau原理、Pauli不相容原理以及Hund规则，形成O2分子时有两个电子分别填充在两个π*反键轨道上且自旋平行，故很自然地得到O2基态为三重态的结论[16]。若采用价键理论，根据电子配对方法，由O原子的电子组态出发，将其配对形成完美的O＝O双键结构，分子中不存在单电子，从而得到O2分子基态为单重态的结论。Lewis[11]最早提出“立方体原子(CubicalAtom)”模型解释分子结构问题，其中氧原子的结构如图1A所示。当形成O2分子时，Lewis认为可能存在两种互变异构结构，如图1B、1C所示，其中1B为四电子双键结构(:Ö::Ö:)，而C则为双键断开后的单键结构(:Ö•:Ö•:)。虽然根据Lewis结构无法判断哪种分子结构更稳定，但是鉴于实验上氧气分子参与的反应大多首先生成过氧化物，Lewis推测O2分子更偏向于不含双键的C结构，即存在未配对的单电子[17]。随后，Pauling[18]利用价键理论详细研究了O2分子的结构问题。他首先发现对于对称的同核双原子分子，经典价键模型的确会出现问题，将O2的基态组合为1S激发态(:Ö::Ö:)，而不是能量更低(~1.62eV)的3S态。因此，Pauling推测可能存在额外的简并度，使得相同的原子之间形成所谓的“三电子”键。通常情况下，含成对电子的原子与含单电子的原子间的共振能(即三个电子的交换能)呈排斥态。但是，当两个原子相同或者非常相似时，将存在两种能量相近的共振结构，即：A:∙B和A∙:B，共振将导致形成稳定的三电子键结构。例如He原子与H原子不会形成分子，但He原子与He+离子可以形成较为稳定的三电子键结构，即He⋯He+，键长约为0.105－0.113nm，并已经被实验证实[19]。同样地，Pauling认为O2分子存在由一个单键与两个三电子键构成(:O:⋯⋯O:)的3S态。虽然无法直接预测该三电子键与经典双键结构的相对能量高低，但是三电子键能够正确解释O2分子的顺磁性特征以及化学稳定性与反应活性。我们发现可以根据直观的电子配对成键图像理解O2分子的结构。根据Pauling的价键理论和s-p杂化近似波函数的构成条件，每个O原子有6个价电子(2s22p4)，当组合形成O2分子时，除用于形成两个σ键与一个σ*反键外，共剩余6个电子，将填充于两个相互垂直的π平面(px-px，py-py)内，则共存在4种可能的填充方式，如图2所示。从图2可以很明显看出：A与B两种填充方式得到两个π平面上各含3个电子的双自由基(Biradical)，而C与D两种填充方式则得到闭壳层单重态结构。通过简单的键级分析可知，A/B填充方式的键级均为0.5+0.5=1，而C/D填充方式的键级亦为1+0或0+1=1，说明O2存在4种互变异构的共振结构。另一方面，通过对C/D的进一步观察，不难发现键级为0的py-py平面上存在2对孤对电子的Pauli排斥作用，表现为反键特征，而A/B结构存在较强的电子离域特征。因此，C/D的能量应该比A/B更高，说明O2分子的基态应以A/B两种填充方式占主导地位。A/B中2个单电子可以形成单重态或三重态波函数，由于单电子轨道的正交性质与交换相关作用，三重态能量更低，所以氧气分子呈双自由基结构。如果将图2所示的4种共振结构构造成为价键波函数，即可进行定量计算，获得O2分子的价键结构与能量。1973年Goddard等[20]曾使用广义价键理论(GeneralizedValenceBond，GVB)方法得到了正确的O2基态。1991年McWeeny[21]采用价键理论计算了O2的基态结构，其价键波函数包含两种离子共振结构，发现价键理论要比基于自洽场的分子轨道理论更为精确，也更能直观地揭示O2分子双键的本质。从以上讨论可以看出，无论是Lewis结构还是Pauling的价键结构，无论定性分析还是定量计算，都能够对O2分子的基态电子结构进行解释，文献中并不存在价键理论无法正确描述O2化学键的依据。

3价键理论与芳香性及不成对铁磁性键

芳香性是一个重要的化学概念，而分子轨道理论在分子芳香性预测方面非常成功。结构化学中用于判断单环共轭多烯芳香性的4n+2或4n规则即建立在Huckel分子轨道理论基础之上[22]，判断多环共轭多烯的芳香性与反芳香性则常用Craig的分子轨道模型[23]。然而，这些基于分子轨道理论的判断方法也会出现误判问题。根据Craig规则，环丁二烯不具有芳香性，与实验观测相符；联环丁二烯包含通过两个四元环中心的对称轴，Craig规则预测它们是芳香性化合物，但是实验结果证实联环丁二烯为反芳香性，分子轨道理论无法正确解释这一观测结果，即使采用高级电子相关计算也无能为力。1998年Zilberg与Hass[24]基于价键理论提出了双态模型，能够很好地预测C2nH2n(n³2)共轭烯烃的芳香性。对于环丁二烯分子的价键理论处理如图3所示。可以看出，L与R两种共振结构是等价的，可以用二者的线性组合构造价键波函数，其中L+R称为“in-phase”波函数，L－R称为“out-of-phase”波函数。根据价键理论的计算结果，可知：当有偶数个电子对时，L－R能量低，呈反芳香性；当有奇数个电子对时，基态为L+R，呈芳香性。环丁二烯分子有偶数个电子对，故为反芳香性化合物。对于联环丁二烯分子，它们具有数个键交替的价键共振结构，可以形成多种in-phase或out-of-phase的线性组合波函数，如图4所示。它们均有偶数个共振电子对，基态为out-of-phase，即RR－LL或RR－RL等，体系应该呈反芳香性，价键理论的预测与实验相符。除用于判断芳香性之外，价键理论在处理更复杂的化学体系时也具有明显优势，较为典型的例子是对Lin金属团簇的电子结构预测[25]。利用价键理论发现Li原子团簇除了以电子配对成键形式存在之外，还存在极高自旋态，且Lin的稳定化能随n的增加而增大。n=2时每原子的稳定化能只有2.5kJ∙mol－1，而n=7时则达到32.7kJ∙mol－1，最大可至50.2kJ∙mol－1。这是一种不通过电子配对方式形成的共价键，称为不成对铁磁性键。这种价键理论的计算结果是常规的分子轨道理论计算所无法比拟的，只有充分考虑组态相互作用之后，分子轨道理论才能得到与价键模型相一致的结论。

4结语

价键理论与分子轨道理论自始至终一直存在各种争论。2003年Hoffmann、Shaik、Hiberty三人[26]曾对这两种量子力学理论的历史和发展进行了充分讨论。事实上VB和MO并不存在本质的区别，更不是相互对立的两种理论体系，二者的所谓“区别”只不过是由于所考虑的截断或近似不同而导致的表面现象。当严格求解时，无论价键理论还是分子轨道理论，都能够正确描述客观事实。虽然分子轨道理论更易于研究结构或者与轨道对称性有关的问题(如激发态)，而价键理论在研究反应势垒、反应机理等方面具有优势。只有恰当地比较价键理论和分子轨道理论的优缺点及其应用范围，才能有效避免各种片面性的认识。与此同时，我们发现追踪原始文献对辨析结构化学中的模糊概念起着至关重要的作用。因此，在结构化学的教学过程中，应强化学生对原始文献的认知，提高学生对原始文献的重视程度，这对深化研究型教学改革非常有利。

参考文献：

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