分子

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  分子汉语拼音:Fenzi;英语:Molecule),物质中能独立存在而保持其组成和化学特性的最小微粒。单质分子可由1个原子组成,如稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe等,因原子间的作用力极弱,1个原子就是1个分子(单原子分子);也可以由1种元素的2个原子或几个原子组成,如氧分子O2是由2个氧原子结合而成的双原子分子;臭氧分子O3则由3个氧原子结合而成。化合物分子是由几种不同元素的原子组成,如水H2O、甲烷CH4、乙醇C2H5OH等都是多原子分子。2个氢原子和1个氧原子组成的水分子是保持水的组成和特性的最小微粒。用电解法可以使水分子分解,得到的是氢气H2和氧气O2。氢分子、氧分子的性质和水分子迥然不同。

  分子中所含原子数目可以是几个、几十个或几百个,如葡萄糖分子是由3种元素24个原子所组成,分子式为C6H12O6;猪胰岛素分子是由碳、氢、氧、氮、硫5种元素784个原子组成,分子式为C255H380O78N65S6

  还有一类物质称高分子化合物,其分子量上万,甚至是几十万、几百万,它们是由成千上万个相同的结构单元重复联结而成的。例如日常生活常见的聚氯乙烯,它的分子式是—(CH2—CHCl)—n,是在一定条件下将氯乙烯CH2═CHCl双键打开,经聚合而成的,式中n是聚合度,其数值以万计。自然界存在的纤维素淀粉蛋白质等则为天然高分子化合物。并非所有物质都由分子微粒构成,如离子化合物氯化钠NaCl,每个Na周围有6个Cl-,每个Cl-周围有6个Na,在三维空间它们有序而无限地排列,很难划分出1个NaCl分子,NaCl只是常温常压下氯化钠的化学式,表示钠和氯的原子比为1∶1。但在高温气相中可以有NaCl分子存在。

分子的形成

  分子的形成基于原子间的作用力,原子核及其核外电子都处于不停的运动状态,当A和B两个原子靠近到一定距离时,有些外层电子虽然互有排斥力,但因同时受到A和B两个原子核的吸引,使体系的能量降低而稳定,原子间这种强烈的作用力称为化学键,它是原子结合成分子的内因。可以分为:

  1. 共价键 A和B两个原子共有这一对电子(eA和eB),或者说它们的电子云发生了重叠;当A原子提供一对电子,而为A和B共用时,形成配位共价键,简称配位键
  2. 离子键 当A和B在成键时,对电子吸引能力差别相当大(即电负性差别大),若A容易失去电子形成正离子,而B容易获得电子形成负离子,则正负离子借静电引力紧密结合。
  3. 金属键 金属原子和金属原子之间,由能活动于多个原子之间的自由电子和金属正离子的胶合力形成的。非金属与非金属原子之间容易形成共价键,金属与非金属原子之间容易形成离子键,金属与金属原子之间形成金属键。

分子间力

  分子由原子借助化学键结合而成,化学键随原子对电子吸引能力差别而有极性与非极性之分,分子也有极性与非极性之分。分子间的作用力就源于分子的极性。对双原子分子而言,非极性键形成非极性分子,极性键形成极性分子。多原子分子是否有极性,还要看分子的结构。例如二氧化碳CO2分子中,2个氧原子和碳原子呈对称的直线结构O═C═O,尽管C═O键是极性键,但分子中的正负电荷重心重叠,位于分子的中心,所以CO2是非极性分子;而水分子中的2个氢原子以104.5°夹角与氧原子成键,氧对电子吸引力比氢强,所以氧端为负性,氢端为正性,水分子为极性分子。

  分子间力比原子间的化学键弱得多,大约要小一二个数量级。极性分子有正负两极,是个偶极子,同极相斥,异极相吸,偶极子之间的吸引力称取向力。极性分子的偶极子电场能使非极性分子的正负电荷重心偏移而成为诱导偶极子,这种极性分子与非极性分子间的作用力称诱导力。非极性分子之间的作用力是由于分子运动过程中会产生瞬时正负电荷重心的相对位移,而形成瞬时偶极子,这种作用力称色散力。分子间作用力可由这3部分组成,总称范德瓦耳斯力。极性分子与极性分子之间,以取向力为主,也有诱导力和色散力;极性分子与非极性分子之间只有诱导力和色散力;非极性分子之间作用力只有色散力了。分子间作用力还有一种特殊情况称氢键,它比化学键弱,但比范德瓦耳斯力强。物质熔点、沸点的高低,或在某一定温度压力条件下,是气态还是液态或固态,都取决于分子间作用力的强弱。

分子结构

  分子不仅含有固定的原子比例,并且原子之间有相对固定的位置,即分子都有各自的结构。如甲烷CH4分子中4个H原子和C原子间的化学键以正四面体顶角方向排列,C─H键之间夹角为109.5°,分子为正四面体形。而氨分子NH23分子中3个N─H键夹角为107.3°,分子为三角锥形,N原子为负端,并有一对未成键电子,容易和其他原子形成配位键。有些物质尽管分子式相同,但因原子排列方式(即分子结构)不同而形成两种性质完全不同的物质,例如组成为C2H6O的分子可以形成两种结构式不同的化合物,一种是乙醇,另一种是二甲醚,两者互为同分异构体。

  分子结构并非人们随意的设想,而是由多种实验方法配合研究而确定的。例如X射线衍射法和中子衍射法是测定固态物质中原子相对位置的有效手段。红外分子光谱能测定分子中原子在平衡位置附近振动和转动情况。紫外分子光谱可了解价层电子运动状况。

  随着现代化学键理论的发展,自由基准分子(即基态不稳定,但激发态时稳定的分子)也都可以称为分子。