有機(jī)化學(xué)常用化學(xué)鍵的聚類分析

王清龍王清鳳袁奎超(．河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 河南 鄭州 4500；．河南省新蔡縣動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所， 河南 駐馬店 463500)

有機(jī)化學(xué)常用化學(xué)鍵的聚類分析

王清龍1王清鳳2袁奎超2(1．河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 河南 鄭州 450011；2．河南省新蔡縣動(dòng)物衛(wèi)生監(jiān)督所， 河南 駐馬店 463500)

在有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，常用的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵，共價(jià)鍵是以與碳相連為主的化學(xué)鍵，而其基本特性指標(biāo)變現(xiàn)為鍵長、鍵能及電極正負(fù)性。這些基本特性之間存在著一定的共同性和差異性。那么研究這份共同和差異性對(duì)于有機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)有著非常深遠(yuǎn)的意義。

有機(jī)化學(xué)；化學(xué)鍵；聚類分析

0 引言

化學(xué)鍵是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最重要部分之一，它是化學(xué)分子間的相互作用。有機(jī)化合物的化學(xué)反應(yīng)和其結(jié)構(gòu)直接受到化學(xué)鍵的基本特性的影響。在有機(jī)化合物中，化學(xué)鍵的基本的特性指標(biāo)有三項(xiàng)，分別是鍵長，鍵能和電負(fù)性差。這些化學(xué)鍵的特性不如無機(jī)化合物的化學(xué)鍵分明，弄清它們之間的基本特性的差異具有重要意義。分析這些性能之間的相似性和差異性，運(yùn)用聚類方法是一個(gè)很簡便的方式。

1 化學(xué)鍵的定義與分類

1.1 化學(xué)鍵的定義

化學(xué)鍵是一種粒子間的吸引力，其中粒子可以是原子、離子或分子?；瘜W(xué)鍵種類繁多，其能量大小、鍵長亦有所不同；能量較高的“強(qiáng)化學(xué)鍵”包括共價(jià)鍵、離子鍵，而分子間力、氫鍵等“弱化學(xué)鍵”能量較低。研究認(rèn)為，在分子或晶體中的原子決不是簡單地堆砌在一起，而是存在著強(qiáng)烈地相互作用。化學(xué)上把這種分子或晶體中原子間的強(qiáng)烈作用力叫做化學(xué)鍵。鍵的實(shí)質(zhì)是一種力。所以有的又叫鍵力，或就叫鍵。礦物都是由原子、分子或離子組成的，它們之間是靠化學(xué)鍵聯(lián)系著的．

1.2 化學(xué)鍵分類

化學(xué)鍵分為三大類：離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。

(1)離子健

離子鍵是由電子轉(zhuǎn)移(失去電子者為陽離子，獲得電子者為陰離子)形成的。即正離子和負(fù)離子之間由于靜電引力所形成的化學(xué)鍵。離子既可以是單離子，如Na+、Cl－；也可以由原子團(tuán)形成；如SO42－，NO3

－等。

離子鍵的作用力強(qiáng)，無飽和性，無方向性。離子鍵形成的礦物總是以離子晶體的形式存在。

(2)共價(jià)健

共價(jià)鍵的形成是相鄰兩個(gè)原子之間自旋方向相反的電子相互配對(duì)，此時(shí)原子軌道相互重疊，兩核間的電子云密度相對(duì)地增大，從而增加對(duì)兩核的引力。共價(jià)鍵的作用力很強(qiáng)，有飽和性與方向性。因?yàn)橹挥凶孕较蛳喾吹碾娮硬拍芘鋵?duì)成鍵，所以共價(jià)鍵有飽和性；另外，原子軌道互相重疊時(shí)，必須滿足對(duì)稱條件和最大重疊條件，所以共價(jià)鍵有方向性。共價(jià)鍵又可分為三種：

①非極性共價(jià)鍵形成共價(jià)鍵的電子云正好位于鍵合的兩個(gè)原子正中間，如金剛石的C－C鍵。

②極性共價(jià)鍵形成共價(jià)鍵的電子云偏于對(duì)電子引力較大的一個(gè)原子，如Pb－S鍵，電子云偏于S一側(cè)，可表示為Pb→S。

③配價(jià)鍵共享的電子對(duì)只有一個(gè)原子單獨(dú)提供。如Zn－S鍵，共享的電子對(duì)由鋅提供，共價(jià)鍵可以形成兩類晶體，即原子晶體與分子晶體。原子晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上排列著原子。原子之間有共價(jià)鍵聯(lián)系著。在分子晶體的晶格結(jié)點(diǎn)上排列著分子(極性分子或非極性分子)，在分子之間有分子間力作用著，在某些晶體中還存在著氫鍵。關(guān)于分子鍵與氫鍵后面要講到。

(3)金屬鍵

由于金屬晶體中存在著自由電子，整個(gè)金屬晶體的原子(或離子)與自由電子形成化學(xué)鍵。這種鍵可以看成由多個(gè)原子共用這些自由電子所組成，所以有人把它叫做改性的共價(jià)健。對(duì)于這種鍵還有一種形象化的說法：“好象把金屬原子沉浸在自由電子的海洋中”。金屬鍵沒有方向性與飽和性。

和離子晶體、原子晶體一樣，金屬晶體中沒有獨(dú)立存在的原子或分子；金屬單質(zhì)的化學(xué)式(也叫分子式)通常用化學(xué)符號(hào)來表示。

上述三種化學(xué)健是指分子或晶體內(nèi)部原子或離子間的強(qiáng)烈作用力。

2 聚類分析法簡述

2.1 聚類分析

聚類分析是一種分類的數(shù)學(xué)方法， 其基本思想是物以類聚。做聚類分析時(shí)，出于不同的目的和要求，可以選擇不同的統(tǒng)計(jì)量和聚類方法。 該方法在化學(xué)物質(zhì)分類、分析化學(xué)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)譜圖解析等方面已得到了應(yīng)用。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)、速率常數(shù)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)是化學(xué)動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容之一， 其實(shí)質(zhì)就是對(duì)化學(xué)反應(yīng)按動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行歸類。事實(shí)上， 化學(xué)反應(yīng)按速率方程的形式已劃分為簡單級(jí)數(shù)反應(yīng)和復(fù)雜反應(yīng)兩大類， 前者又劃分為零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)等不同反應(yīng)級(jí)數(shù)的反應(yīng)，后者又分為對(duì)行反應(yīng)、連串反應(yīng)及平行反應(yīng)等。每種形式的反應(yīng)構(gòu)成了一個(gè)類， 同一類反應(yīng)的速率方程具有相似的形式，這種分類實(shí)際上就是一張聚類譜圖， 任何一個(gè)特定的化學(xué)反應(yīng)按速率方程形式總可歸入這張譜圖中的某一類。

例如：用聚類分析發(fā)可將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

設(shè)論域V=｛，，…｝為被分類對(duì)象，每個(gè)對(duì)象又由m個(gè)指標(biāo)表示其性狀，即=｛，，…y｝(j=1，2，…m)，得到原始矩陣。

2.2 化學(xué)鍵的聚類分析

有機(jī)化學(xué)中常見的化學(xué)鍵

上面的圖表是在有機(jī)化學(xué)中常見的化學(xué)鍵，及其鍵長、鍵能、電負(fù)性差的數(shù)值特，我們運(yùn)用聚類方式就可以分析他們之間的相似和差異性。

3 結(jié)語

本文所建立的聚類分析確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的方法為化學(xué)反應(yīng)速率方程的建立提供了一種新的思路。經(jīng)計(jì)算實(shí)踐表明， 該方法具有較高的可靠性， 它可以克服確定反應(yīng)級(jí)數(shù)的傳統(tǒng)方法，可靠性波動(dòng)較大等不足。了解化學(xué)鍵的性能之間的相似性和差異性問題，會(huì)對(duì)以后在有機(jī)化學(xué)中的起著非常積極的作用。

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①王清龍(1978-)，男，漢，河南南陽人，碩士，講師，研究方向：有機(jī)化學(xué)。②王清鳳(1984-)，女，漢，河南南陽人，學(xué)士，助理獸醫(yī)師，研究方向：畜牧獸醫(yī)。③袁奎超(1982-)，男，漢，河南新蔡人，?？疲慝F醫(yī)師，研究方向：畜牧獸醫(yī)。