电负性与电亲和性概念的分析

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电负性与电亲和性概念的分析

2017 年 12 月 5 日 NE电气 李震彪

上期内容：电网友好型光伏发电系统的控制策略

近期重要事宜公告：

两大IEEE顶级SCI期刊联合专刊“光伏系统功率变换与控制”征稿

专家特别提醒

莫混淆气体电负性与电子亲和性概念

国内第一次在书本和杂志文章上将气体电负性与电亲和性两个概念混淆，至少发生在几十年前，也不知道是哪位专家在哪本书里造成的。但从此后，许多气体放电和SF6电弧专家就沿用了这种错误的概念，一直至今，包括国内许多大牛大腕和青年才俊，也包括许多知名书本和杂志文章。今年初与日本教授K. SAWA交流时，他提醒我此两概念的不同。于是我赶紧搜索核对，果然张冠李戴。为了提醒同行专家注意区分此两个概念，特撰成小文发表。祈请各位专家指教。

李震彪教授

2017-11

分割线

李震彪教授提供，特此感谢！

摘要：本文对比了电负性与电子亲和性概念的不同，国内许多文献常认为电负性是气体分子对外部自由电子的吸附，但化学物理文献及诸多百科全书均认为电负性是分子内原子对内部成键电子的吸引。建议今后使用气体电负性概念时慎重区别其义，避免与电子亲和性混淆。

关键字：气体；电负性；电子亲和性

国内许多文献常常提到SF₆具有很强的电负性，并将电负性常常解释为气体分子吸附外部自由电子并成为负离子的能力。如文献^[1-3]分别对应第57、151、60页指出SF₆具有很强的电负性，很容易俘获一个电子而成为活动力很差的负离子，使游离能力很强的电子数减少，且形成负离子后，容易与正离子相复合，阻碍放电的形成与发展。文献^[4]认为SF₆的强力吸附电子的能力称为电负性，SF₆的电负性比空气高几十倍，极强的电负性使SF₆气体具有良好的绝缘性能，电极间在一定的场强下发生电子发射时，极间自由电子很快被SF₆吸附，大大阻碍了碰撞电离过程的发展，使极间电离度下降，而耐受电压能力增强。文献^[5]指出SF₆很强的电负性使其绝缘强度很高，从而被广泛用于断路器中。上述文献对气体电负性概念的解释均是指气体分子吸附外部自由电子的能力。

但是，这一概念的解释与化学物理权威文献关于气体电负性的概念解释明显不一致，如文献^[6]第80页指出气体电负性是用以度量分子中原子对成键电子的吸引能力的相对大小，当A和B两种原子结合成双原子分子AB时，若A的电负性大，则生成分子的极性是A^δ-B^δ+，即A原子带较多的负电荷，B原子带较多的正电荷；反之，若B的电负性大，则生成分子的极性是A^δ+B^δ-。文献^[7]第1456页指出电负性概念是由Pauling首次提出，它是反映一个分子中一个原子对于成键电子的相对吸引力，其英文原文为：Electronegativity is a parameter originally introduced by Pauling which describes, on a relative basis, the tendency of an atom in a molecule to attract bonding electrons. While electronegativity is not a precisely defined molecular property, the electronegativity difference between two atoms provides a useful measure of the polarity and ionic character of the bond between them。

即，文献^[6-7]对电负性概念的解释是一个分子中的一个原子对于内部成键电子的相对吸引力，而不是分子对于外部自由电子的吸附作用。文献^[1-5]与^[6-7]电负性的概念区别主要是前者认为是分子对外部自由电子的吸附，后者认为是分子内原子对内部成键电子的吸引，被吸引电子内外之别。一个原子（元素）电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强。表1给出了部分元素在常见氧化态下的电负性数值^[8]。

另外， “百度百科”关于电负性也给了解释，指出“电负性是元素的原子在化合物中吸引电子的能力的标度。元素的电负性越大，表示其原子在化合物中吸引电子的能力越强。又称为相对电负性，简称电负性，也叫电负度。电负性综合考虑了电离能和电子亲合能，首先由莱纳斯·卡尔·鲍林于1932年引入电负性的概念，用来表示两个不同原子间形成化学键时吸引电子能力的相对强弱，是元素的原子在分子中吸引共用电子的能力。”

维基百科全书对于电负性给出的定义与百度百科一致，即 Electronegativity is a chemical property that describes the tendency of an atom to attract electrons (or electron density) towards itself.

因此，本文认为物质的基本物化性质参数定义不应该因行业或学科差异而出现基本概念含义相悖，更不应与普遍认可的概念定义相矛盾。正如电阻率、密度、比热、熔点作为材料的物性参数，其概念定义在物理、化学、材料、电气、机械等学科也必须保持一致一样，电负性作为气体的一种物性参数，其在电气领域的定义也应该与化学、物理等领域的定义保持一致，更应该与电负性概念的原始提出者莱纳斯•卡尔•鲍林所定义的概念一致。建议电气学科使用电负性概念时以原创人莱纳斯•卡尔•鲍林的定义为准，也与化学物理等学科文献关于气体电负性的普遍定义一致。

有人若认为气体分子吸引外界自由电子的能力类似于化合物中原子吸引内部成键电子的能力，并以此将气体分子吸引外界自由电子的能力定义为电负性，是没有科学依据的，也是不严谨的。

气体分子吸附外界自由电子的现象实际是电子亲和性（能）。如文献^[9]第58页指出电子亲和性指气态中性原子得到一个电子形成气态负离子所释放的能量。文献[10]第156页指出电子亲和性是指气态原子、分子或者原子团的能量与其吸附电子后形成负离子的能量之差，其英文原文为：Electron affinity of an atom (molecule or radical) is defined as the energy difference between the lowest (ground) state of the neutral and the lowest state of the corresponding negative ion in the gas phase.

A (g) + e^-= A^-(g)

“百度百科”关于电子亲和性（能）也给了解释，即“气态电中性基态原子获得一个电子变为气态一价负离子放出的能量叫做电子亲和能”。维基百科全书Wikipedia the free encyclopedia对于电子亲和性的定义与百度百科一致，即“the electron affinity of an atom or molecule is defined as the amount of energy released or spent when an electron is added to a neutral atom or molecule in the gaseous state to form a negative ion”。

表2给出了部分原子的电子亲和能数值。

综上，目前电气领域许多文献对气体电负性的概念解释，实际上对应的是电子亲和性（能）概念。电负性与电子亲和性（能）两个概念区别明显。考虑到物质的基本物性参数概念应该在各个学科之间保持一致，避免基本概念混淆引起学术表达和交流上的混乱，建议电气领域使用电负性概念时以电负性概念原创人莱纳斯•卡尔•鲍林的定义为准，这样也就与广泛的科学界普遍认可的概念定义一致了。

参考文献：

[1]. 周泽存. 高电压技术[M]. 中国电力出版社, 1988.

[2]. 严璋, 朱德恒. 高电压绝缘技术[M]. 中国电力出版社, 2015.

[3]. 梁曦东, 周远翔, 曾嵘. 高电压工程.第2版[M]. 清华大学出版社, 2015.

[4]. 肖登明. 环保型绝缘气体的发展前景[J]. 高电压技术,2016,(04):1035-1046.

[5]. H. Rahaman, J. W. Nam, S. H. Nam and K. Frank, “Investigation of Spark-Gap Discharge in a Regime of Very High Repetition Rate,” IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 38, no. 10, pp. 2752-2757, Oct. 2010.

[6]. 周公度, 段连运. 结构化学基础.第3版[M]. 北京大学出版社, 2002.

[7]. CRC handbook of chemistry and physics [M]. CRC press, 2005.

[8]. 李梦龙. 化学数据速查手册[M]. 化学工业出版社, 2003.

[9]. 刘翊纶. 基础元素化学[M]. 高等教育出版社, 1992.

[10]. James G. Speight. Lange’s handbook of chemistry [M]. Science press, 2005.

专家介绍

李震彪教授，博士，博士生导师。主要研究方向：电接触电弧及材料、开关电器技术、电器状态检测与故障诊断。现任中国电工技术学会电接触电弧专委会副主任委员、中国电工技术学会电工产品可靠性研究会常务理事、《电工材料》编委会副主任委员、《低压电器》杂志编委，华中科技大学实验室与设备管理处处长。在科研方面,先后承担国家自然科学基金、霍英东教育基金、教育部优秀年轻教师基金、湖北省自然科学基金、武汉市晨光计划基金、教育部留学回国科研启动基金等基金资助项目近20项和ALSTOM、BOSCH、长征火箭公司、航天五院等企业合作项目约20项。在国际IEEE Trans on CPMT,IEICE Trans on Electronics、IEEE及ICEC等重要国际会议文集、《中国电机工程学报》等国内外学术刊物上发表论文120余篇。多次赴美、英、法、爱尔兰、瑞士、日本、沙特等国进行学术交流。