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分子

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STM拍摄的并五苯分子(分子长度约 14 Å),对照下图的球棍模型可分辨出其分子中呈直线排列的五个苯环

分子(molecule)是一种构成物质的粒子,呈电中性、由单个或多个原子组成,原子之间因化学键而键结[1][2]。能够单独存在、保持物质的化学性质;由分子组成的物质叫分子化合物

一个分子是由多个原子共价键中通过共用电子连接一起而形成。它可以由相同的化学元素构成,如氧气分子;也可以由不同的元素构成,如分子。若原子之间由非共价键的化学键(如离子键)所结合,一般不会视为是单一分子[3]

在不同的领域中,分子的定义也会有一点差异:在热力学中,构成物质的分子(如水分子)、原子(如碳原子)、离子(如氯离子)等在热力学上的表现性质都是一样的,因此,都统称为分子;在气体动力论中,分子是指任何构成气体的粒子,此定义下,单原子的惰性气体也可视为是分子[4]。而在量子物理有机化学生物化学中,多原子的离子(如硫酸根)也可以视为是一个分子。

同一分子的不同画法。左、中图为立体模型,右图为平面表示。(左)黑、白色球体分别代表碳、氢原子,球体间的柱体表示化学键。模型被一团云包围,代表着分子的表面,红、蓝色分别代表正、负电。(中)与左图相似。浅蓝、白色球体分别代表碳、氢原子,柱体表示化学键。(右)这种利用化学符号和直线来表示分子结构的画法称为结构式。
同一分子的不同画法。左、中图为立体模型,右图为平面表示。(左)黑、白色球体分别代表碳、氢原子,球体间的柱体表示化学键。模型被一团云包围,代表着分子的表面,红、蓝色分别代表正、负电。(中)与左图相似。浅蓝、白色球体分别代表碳、氢原子,柱体表示化学键。(右)这种利用化学符号和直线来表示分子结构的画法称为结构式

分子可根据其构成原子的数量(原子数)分为单原子分子,双原子分子等。

气体中,氢分子)、氮分子)、氧分子)、氟分子)和氯分子)的原子数是2;固体元素中,黄磷)原子数是4,)的是8。所以,)是单原子的分子,氧气)是双原子的,臭氧)则是三原子的。

许多常见的有机物质都是由分子所组成的,海洋和大气中大部分也是由分子组成的。但地球上主要的固体物质,包括地幔地壳地核中虽也是由化学键键结,但不是由分子所构成。在离子晶体(像)及共价晶体有反复出现的晶体结构,但也无法找到分子。固态金属是用金属键键结,也有其晶体结构,但也不是由分子组成。玻璃中的原子之间依化学键键结,但是既没有分子的存在,其中也没有类似晶体反复出现的晶体结构。

历史

约翰·道尔顿
约翰·道尔顿

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。”[5]

在阿伏伽德罗之前,化学家约翰·道尔顿在1803年及1811年提出的定比定律倍比定律,也支持分子学说[6],因此许多化学家接受分子学说。可是许多逻辑实证主义者及像恩斯特·马赫路德维希·玻尔兹曼詹姆斯·麦克斯韦约西亚·吉布斯等物理学家不接受分子学说,认为分子只是一种方便处理的数学结构,不是实际存在的物质。一直到让·佩兰布朗运动相关的研究中,才证实了分子学说。

特性

分子大小

大部分的分子无法借由电子显微镜看见,最小的分子是H2,其键长为0.74 Å[7]。有机合成中常用到的分子大小约从数Å至数十Å。曾经制造过直径1000 Å(100 nm)介孔氧化硅英语Mesoporous silica,是最大的分子[8] 一般分子虽无法由电子显微镜看见,但利用在特定环境下可以用原子力显微镜观察,甚至可以观察到一些小分子及一些原子的外观,而像DNA高分子化合物,就可以用电子显微镜看见。

大型的分子包括有高分子超分子等。

半径

等效分子半径是指分子在溶液中所占的大小[9][10]

分子式

分子的一个特征就是组成化合物的元素比例总是整数。例如,纯水中氢和氧的比例总是2:1,乙醇中碳、氢、和氧总是以2:6:1的比例组合。利用各种元素的比例和化学符号就可以组成分子的实验式。但是单凭实验式是无法决定分子的类别——如乙烯的实验式就与丙烯一样(同是CH2),尽管这两个分子的原子数或质量都不同。

要反映分子中各种原子的真实数量,就要利用化学式。例如乙烯和丙烯的化学式分别为

分子量可以用化学式计算而得,是分子质量与12C质量的1/12之比值。若是网状固体,则会用化学计量方式计算.称为式量英语formula unit

分子几何

量子力学定律的演算,分子有固定的平衡几何状态——键的长度和之间的角度。纯物质都是由相同几何结构的分子组合而成的。分子的化学式和结构是决定它的特质,尤其是它的化学活性的两要素。

同分异构体是指二个化合物组成分子的种类及个数相同,但其结构不同。同分异构体有相同化学式,但因结构的不同,有不同的特质,例如乙醇甲醚有不同的结构,但其化学式都是,属于结构异构

立体异构体是一种特别的异构体,它们可以有很相似的物理及化学性质,而由于原子在空间中的排列不同,具有相当不同的生物化学性质[11],例如维生素C有两种立体异构体,但人体只能吸收其中一种的维生素C。

分子的电气及光学特性

分子在电场中的特性和分子的电子分布特性有关,包括其偶极矩极化性

分子的电偶极矩是指分子中正电荷和负电荷分布的不对称。分子若有对称中心,例如,则偶极矩为零,反之亦然。

分子的极化性是指分子因外在电场作用而改变其电子云形状的程度,结果会使得分子会因电场而产生电偶极矩。

分子的光学特性和其在光产生的交流电场下的行为有关,也可以用分子的极化性来得知。极化性和光的折射、散射、光学活性及其他分子光学研究的特性有关。

分子的磁特性

大部分化合物的分子及巨分子都是抗磁性。分子的磁化率 是表示外磁场中被磁化的程度,抗磁性性物的磁化率略小于零。

有永久磁矩的分子具有顺磁性,包括外层电子数是奇数个的分子(例如自由基)以及分子中有部分原子的内层电子未填满(如过渡金属)。顺磁性物质的磁化率会随温度而变化,因为电子的热运动会降低磁场中的磁矩。

分子间作用力

分子间作用力是指电中性的分子在空间中的作用力,会随着分子的极性而不同,其作用力相当复杂,一直到了量子力学出现后才对分子间作用力有进一步的了解。

两个极性分子(总偶极矩不为零的分子)之间会有分子间作用力[12],可能会使分子相吸或是排斥,若分子的偶极矩没有互相抵消,其作用力会变强。

若是一个极性分子和一个非极性分子,会有产生诱导性的分子间作用力[12]。极性分子会极化非极性分子,若极性分子的负电荷较靠近非极性分子,会诱导非极性分子,使其正电荷较靠近极性分子。

分散力是指两个非极性分子之间的分子间作用力[12]。一般来说,非极性分子的总偶极矩为零,不过在特定时间,因为电子在分子中的分布情形,会产生瞬时偶极。瞬时偶极可能会极化其他的非极性分子,或是两个有瞬时偶极的分子会互相影响。

相关理论

分子物理学理论化学的研究主要是基于量子力学,对于化学键的了解相当重要。最简单的分子是氢分子离子,而化学键中最简单的是单电子键。由二个带正电的质子及一个带负电的电子组成,因为没有电子和电子之间的斥力,薛定谔方程会相关简单,易于求解。随着快速数位电脑的发展,也可以计算一些更复杂分子的近似解,这也是计算化学的一个主要领域。

科学家们试着严格的定义哪些原子的组合稳定到可以视为是分子的程度,而UPAC的建议是“需对应势能面的一个低坑,而且要深到可以限制至少一个振动态。”[1]。此定义和原子之间交互关系的本质无关,和交互关系的强度有关。事实上,这也包括一些弱键结,以往不会视为是分子的一些原子团,例如氦二聚体,有一个振动束缚态[13],其键结非常松散,可能只能在非常低温时才可以观测到。

原子的组合是否够稳定到可视为分子,在本质上是操作性的定义。在哲学上,分子不是一个基本实体(相反的,基本粒子就是基本实体),分子的概念可以视为是化学家在陈述世界上原子之间作用力强度的一种叙述方式。

分子光谱学

分子光谱学是处理分子和带有已知能量(依照普朗克关系式,也可以表示为频率)的探测信号(或粒子)作用时,产生的频谱。可以由分子吸收光谱发射光谱来分析其能量交换,进而分析分子的量子化能级[14]。当像中子电子等粒子或是高能的X光和一般规则排列的分子(如晶体)作用时,光谱学的研究一般不会指其衍射的现象。

分子的电磁及光学特性都和分子在不同状态下的波函数及能量有关。分子光谱可以得到分子的状态,以及在各状态之间跃迁的概率。

分子光谱依原子的质量,位置以及原子间的相互作用有关。分子光谱和分子的转动惯量有关,利用分子光谱,可以准确的得到原子间作用力的数值。分子光谱中线段和频带的数量和其分子的对称性有关。

分子电子跃迁和分子中电子云的结构及化学键的状态有关。若分子光谱中有吸收许多在长波长可见光范围的能量,分子会有颜色,像很多有机染料都属于这一类。

化学、物理学及生物学中的分子

分子是化学的基础概念,大部分有有关分子结构及功能的信息都要透过化学研究才能得到。分子结构决定了化学反应的特性。

分子的结构及性质都是被分子物理学中研究的物理现象所影响。在物理上,分子的概念可以说明气体、液体及固体的特性。例如分子扩散的能力、黏度导热系数等。第一个直接证明分子存在的实验是在1906年由法国科学家让·佩兰,在研究布朗运动时发现的。

所有的生物都是因为分子间化学性的、非化学性的作用巧妙的平衡而存活的。对于分子结构及特性的研究是在生物学或是科学上都很重要在。

生物学、化学及分子物理学的进展产生了分子生物学,依照生物中基本化合物的结构及特性,研究生物的基本特性。

相关条目

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 国际纯化学和应用化学联合会 (1994)."molecule".《化学术语总目录》在线版.(英文)
  2. ^ Pauling, Linus. General Chemistry. New York: Dover Publications, Inc. 1970. ISBN 0-486-65622-5. 
  3. ^ Molecule 页面存档备份,存于互联网档案馆, Encyclopaedia Britannica on-line
  4. ^ Chandra, Sulekh. Comprehensive Inorganic Chemistry. New Age Publishers. ISBN 81-224-1512-1. 
  5. ^ 自然科學概論. 五南图书出版股份有限公司. 1996: 171– [2014-05-05]. ISBN 978-957-11-1185-8. (原始内容存档于2014-07-06). 
  6. ^ 亞佛加厥定律. 教育部数位教学资源入口网. [2014-05-09]. (原始内容存档于2014-07-17) (中文). 
  7. ^ Roger L. DeKock, Harry B. Gray. Chemical structure and bonding. University Science Books. 1989: 199. ISBN 0-935702-61-X. 
  8. ^ 存档副本. [2014-05-05]. (原始内容存档于2020-07-24). 
  9. ^ 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. PMID 1202253. doi:10.1038/ki.1975.104. 
  10. ^ 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. PMC 1334749. PMID 1182263. doi:10.1016/S0006-3495(75)85863-2. 
  11. ^ IUPAC金色书对“立体异构”的定义[1] 页面存档备份,存于互联网档案馆(英文)。
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 分子間作用力(Intermolecular force). 国科会高瞻自然科学教学资源平台. 2013-10-01 [2014-05-09]. (原始内容存档于2020-12-19) (中文). 
  13. ^ Anderson JB. Comment on "An exact quantum Monte Carlo calculation of the helium-helium intermolecular potential" [J. Chem. Phys. 115, 4546 (2001)]. J Chem Phys. May 2004, 120 (20): 9886–7. Bibcode:2004JChPh.120.9886A. PMID 15268005. doi:10.1063/1.1704638. 
  14. ^ 国际纯化学和应用化学联合会 (1997,2006)."spectroscopy".《化学术语总目录》在线版.(英文)

外部链接

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