分子

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分子是能單獨存在、並保持純物質化學性質的最小粒子。分子是一個電中性,由多個原子組成的粒子,而原子之間是因共價鍵而鍵結[1][2]。抽象地,一个單一原子也可當作是一分子(單原子分子),但在實際使用時,“分子”指的通常是多個原子的化學化合物。由分子組成的物質叫分子化合物

一個分子是由多個原子共價鍵中透過共用電子連接一起而形成。它可以由相同化學元素的原子組成,如氧氣 O2;也可以是不同的元素,如分子 H2O。若原子之間由非共價鍵的化學鍵(如氫鍵離子鍵)所結合,一般不會視為是單一分子[3]

在不同的領域中,分子的定義也會有一點差異:在热力学中,构成物质的分子(如水)、原子(如金)、离子(如氯化钠)在热力学上的表现性质都是一样的,因此,都统称为分子。在氣體動力論中,分子是指任何氣態的粒子,以此定義下,單原子的惰性氣體也可視為是分子[4]。而在量子物理有機化學生物化學中,多原子的離子也可以視為是一個分子。

同一分子的不同畫法。左、中圖為立體模型,右圖為平面表示。(左)黑、白色球體分別代表碳、氫原子,球體間的柱體表示化學鍵。模型被一團雲包圍,代表著分子的表面,紅、藍色分別代表正、負電。(中)與左圖相似。淺藍、白色球體分別代表碳、氫原子,柱體表示化學鍵。(右)這種利用化學符號和直線來表示分子結構的畫法稱為結構式

原子在某一元素的分子內的數目叫作該元素的原子數

氣体元素中,(H2)、(N2)、(O2)、(F2)和(Cl2)的原子數是2。稀有气体(如 Ar)是1。固体元素中,黃磷(P4)原子數是4,(S8)的是8。所以,氬(Ar)是單原子,氧氣(O2)是雙原子的,臭氧(O3)則是三原子的。

許多常見的有機物質都是由分子所組成的,海洋和大氣中大部份也是分子。但地球上主要的固體物質,包括地函地殼地核中雖也是由化學鍵鍵結,但不是由分子所構成。在離子晶體(像)及共價晶體有反覆出現的晶体结构,但也無法找到分子。固態金屬是用金屬鍵鍵結,也有其晶体结构,但也不是由分子組成。玻璃中的原子之間依化學鍵鍵結,但是既沒有分子的存在,其中也沒有類似晶體反覆出現的晶体结构。

歷史[编辑]

約翰·道爾頓

分子的概念最早是由意大利的阿莫迪欧·阿伏伽德罗提出,他于1811年发表了分子学说 ,认为:“原子是参加化学反应的最小质点,分子则是在游离状态下单质或化合物能够独立存在的最小质点。分子是由原子组成的,单质分子由相同元素的原子组成,化合物分子由不同元素的原子组成。在化学变化中,不同物质的分子中各种原子进行重新结合。”

在阿伏伽德罗之前,化學家約翰·道爾頓在1803年及1811年提出的定比定律倍比定律,也支持分子學說,因此許多化學家接受分子學說。可是許多邏輯實證主義者及像恩斯特·馬赫路德維希·波茲曼詹姆斯·馬克士威約西亞·吉布斯等物理學家不接受分子學說,認為分子只是一種方便處理的數學結構,不是實際存在的物質。一直到讓·佩蘭布朗運動相關的研究中,才證實了分子學說。

分子大小[编辑]

大部分的分子太细小,无法藉由電子顯微鏡看见,但也有例外,如DNA高分子化合物,就可以用電子顯微鏡看見。最小的分子為雙原子的氫分子H2,其鍵長為0.74 Å[5]。有機合成中常用到的分子大小約從數Å至數十Å。大部分的分子无法藉由電子顯微鏡看见,但利用在特定環境下可以用原子力显微镜觀察,甚至可以觀察到一些小分子英语small molecule及一些原子的外觀。

大型的分子包括有高分子超分子等。

半徑[编辑]

等效分子半徑是指分子在溶液中所佔的大小[6][7]

分子式[编辑]

分子的一个特徵就是組成化合物的元素比例總是整數。例如,純水中氫和氧的比例總是2:1,乙醇中碳、氫、和氧總是以2:6:1的比例組合。利用各種元素的比例和化學符號就可以組成分子的實驗式。但是單憑實驗式是無法決定分子的類別——如乙烯的實驗式就與丙烯一樣(同是CH2),儘管這兩個分子的原子數或質量都不同。

要反映分子中各種原子的真實數量,就要利用化學式。例如乙烯和丙烯的化學式分別為C2H4和C3H6

分子幾何[编辑]

量子力學的定律的演算,分子有固定的平衡几何狀態——鍵的長度和之間的角度。純物質都是由相同几何結構的分子組合而成的。分子的化學式和結構是決定它的特質,尤其是它的化學活性的兩要素。

同分異構體是指二個化合物組成分子的種類及個數相同,但其結構不同。同分異構體有相同化學式,但因結構的不同,有不同的特質。立體異構體是一種特別的異構體,它們可以有很相似的物理及化學性質,而由於原子在空間中的排列不同,具有相當不同的生物化學性質[8]

相關條目[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ (英文)國際純粹與應用化學聯合會 (1994)."molecule".化学术语总目录 在线版本.
  2. ^ Pauling, Linus. General Chemistry. New York: Dover Publications, Inc. 1970. ISBN 0-486-65622-5. 
  3. ^ Molecule, Encyclopaedia Britannica on-line
  4. ^ Chandra, Sulekh. Comprehensive Inorganic Chemistry. New Age Publishers. ISBN 81-224-1512-1. 
  5. ^ Roger L. DeKock, Harry B. Gray. Chemical structure and bonding. University Science Books. 1989. 199. ISBN 0-935702-61-X. 
  6. ^ Chang RL, Deen WM, Robertson CR, Brenner BM. Permselectivity of the glomerular capillary wall: III. Restricted transport of polyanions. Kidney Int. 1975, 8 (4): 212–218. doi:10.1038/ki.1975.104. PMID 1202253. 
  7. ^ Chang RL, Ueki IF, Troy JL, Deen WM, Robertson CR, Brenner BM. Permselectivity of the glomerular capillary wall to macromolecules. II. Experimental studies in rats using neutral dextran. Biophys J. 1975, 15 (9): 887–906. Bibcode:1975BpJ....15..887C. doi:10.1016/S0006-3495(75)85863-2. PMC 1334749. PMID 1182263. 
  8. ^ IUPAC金色书对“立体异构”的定义[1](英文)。