化学自习室移动版

每个学科都有自己的“灵魂”，即本学科最基本最通用最核心的东西，它是学科核心素养的重要组成部分，是学科的“点睛之笔”和“主旋律”。在化学中，无论是分析物质的组成、结构、性质还是反应，“电子和电磁作用”都是其中最基本最核心的问题，可谓化学学科的“大统一理论”，也是最能统摄整个高中化学尤其是高三复习的重大话题之一，所以笔者称“电子和电磁作用”是化学学科的灵魂。

事实上，电磁学几乎牵涉到化学等所有自然科学领域：电结构是物质组成结构的最基本形式，电磁场是客观世界的重要存在方式之一，电磁作用是自然界的四大基本相互作用之一(如化学键、摩擦力的本质)，电能是最常见最重要的能量形式之一，电过程是自然界的基本变化过程之一。下面再展开分析化学中物质的组成结构、性质和反应变化与“电子和电磁作用”这一学科之魂的密切关系：

1.物质的组成结构。Na原子与Na^＋虽然原子核完全相同，但只因一个电子的差异使其成为性质大为不同的两个化学物种；CO₂和SO₂两者分子式非常相似，但只因中心原子价电子数目不同，二者结构大相径庭。原子、分子和晶体结构的最核心部分都是电结构。原子均为含电子、质子、中子的三元组成(普通氢原子不含中子)，整体保持电性平衡，而化学对原子结构最关注的部分正是其核外的电子结构，并用原子结构示意图、电子排布式、电子云、原子轨道等简洁化学语言和模型来表达电子的分布和状态；关于分子结构主要有价键理论和分子轨道理论(后者是原子轨道理论的自然延伸)两种，两者互相补充各有千秋但均以核外电子为依托，而价键理论中广泛用于预测分子立体结构的“价层电子对互斥理论”和“等电子体原理”更是突出了核外电子对分子结构的决定性作用；晶体结构同样与电子和电磁作用密切相关，诚如结构化学家周公度教授指出的“电子因素和几何因素是阐明化学物质结构、性能的两个关键因素”。

2.物质的性质。元素周期律周期表是迄今为止对化学元素性质最系统的总结和表达，而其实质是原子核外电子排布的周期性变化；元素性质主要由原子的价电子状态决定，“电负性、电离能”等描述元素性质的重要概念都是在衡量原子得失电子的能力；分子的性质主要由分子轨道中能量较高的电子状态决定；至于具体物质的具体化学性质，无论是氧化性还原性、酸碱性、配位能力还是溶解性，也均与其电子状态和电磁作用密切相关。

氧化性还原性的本质是对物质得失电子能力的描述；物质的酸碱性也与分子中的电子状态和电磁作用息息相关，其中无机含氧酸的酸性与其羟基氢附近的电子密度有关，如HClO、 HClO₂、HClO₃、HClO₄，由于非羟基氧数目递增引起羟基氢附近电子密度递减，故它们释放H^＋的能力(酸性)递增；又如卤化氢(从HF到HI)的酸性递变、以及从NH₃到H₂O、H₂S、HCl的碱性酸性递变，无不显示着其中心原子电荷及半径差异引起各自电离出H^＋的能力差异；而在配位反应中，配体的配位能力与配位原子提供孤对电子的能力相关，如与Cu^2＋结合时，NH₃的配位能力就比H₂O强；物质的溶解性也在很大程度上与“电子和电磁作用”相关，如“极性相似相溶”原理(分子极性的判断方法正是基于分子的正负电荷中心是否重合)，又如在“钾、钠、铵、硝酸盐绝大多数易溶于水、碳酸盐磷酸盐等高价离子构成的盐大多难溶于水”这一经验规律背后，我们分明能感觉到“晶格能”大小(主要由离子电荷和半径等决定)对离子晶体溶解性的影响；而在有机化学中，“电子效应”(如定域的“诱导效应”、离域的“共轭效应”)更是普遍用于解释分子的性质和反应。

即使在物理性质方面，如金属的导电、导热、延展性、金属光泽和焰色反应，以及晶体的熔沸点和硬度规律等，也均与电子和静电作用息息相关，不再详述。

3.物质的反应变化。所有化学反应的微观本质都是基于化学键的重新组合(原子重组)，而化学键(无论是离子键、共价键、金属键，还是广义化学键所包括的分子间作用力)的本质都是静电作用，各种化学键的形成其实是不同原子在追求类似稀有气体的稳定结构时所表现出的得失电子倾向的自然组合，所以化学反应过程都伴随原子核外电子的状态变化，都与电磁作用密切相关。氧化还原反应(包括电化学反应)的本质是电子的转移，其中电池装置的基本作用是把得失电子的氧化还原两个半反应分开发生，进而使电子定向移动形成电流，而电解池的外电源就是一个强制性的电子“搬运工”；配位反应的本质是反应物中的配位体与中心原子间的电子对的给予和接受；广义的“路易斯酸碱反应”还是基于电子配对，认为酸是电子的接受体，碱是电子的给予体，酸碱反应是酸从碱接受一对电子，这样它把那些不交换H^＋而又具有酸性的物质(如FeCl₃和BF₃)也包括在内，从而超越了经典酸碱电离理论和酸碱质子理论的局限；盐溶液中离子的水解能力也与其电荷高低相关，如NH₄^＋、Cu^2＋、Fe^3＋、Sn^4＋四种离子水解能力呈递增趋势；而在有机反应中，自由基反应和离子反应(又包括亲核反应、亲电反应)是基于化学键断裂方式和静电作用类型而进行的分类。同时，在所有化学反应中，“电子守恒、电荷平衡”也都是普遍遵循的基本规律。

此外，分析化学中的仪器分析原理大多也是基于电子变化和电磁作用，如红外光谱、紫外—可见光谱、核磁共振等波谱等，都不过是基于物质吸收或放出电磁辐射的实验记录，原子分子光谱不过是基于“电子跃迁”……

由此可见，对于化学学科的大部分内容而言(无论是物质的组成结构还是性质反应)，“电子和电磁作用”都是其中最核心的问题，是化学的“大统一理论”，因此说它是“化学学科之魂”并不为过。