分子

物质中能够独立存在的相对稳定并保持该物质物理化学特性的最小单元。分子由原子组成,原子通过一定的作用力,以一定的次序和排列方式结合成分子。以水分子为例,将水不断分割下去,直至不破坏水的特性,这时出现的最小单元是由两个氢原子和一个氧原子组成的水分子。它的化学式写作 H2O。水分子可用电解法或其他方法再分为两个氢原子和一个氧原子,但这时它们的特性已和水完全不同了。有的分子只由一个原子组成,称单原子分子,如氦和氩等分子属此类,这种单原子分子既是原子又是分子。由两个原子组成的分子称双原子分子,例如氧分子(O2),由两个氧原子组成,为同核双原子分子;一氧化碳分子(CO),由一个氧原子和一个碳原子组成,为异核双原子分子。由两个以上的原子组成的分子统称多原子分子。分子中的原子数可为几个、十几个、几十个乃至成千上万个。例如二氧化碳分子(CO2)由一个碳原子和两个氧原子组成。一个苯分子包含六个碳原子和六个氢原子(C6H6),一个猪胰岛素分子包含几百个原子,其分子式

C255H380O78N65S6

分子的运动

分子的存在形式可以为气态、液态或固态。

分子除具有平移运动外,还存在着分子的转动和分子内原子的各种类型的振动。分子内部的振动和转动的幅度,比气体和液体中分子的平动和转动幅度小得多,分子的这种内部运动,并不会破坏分子的固有特性。通常所说的分子结构,是这些原子处在平衡位置时的结构。分子的内部运动,决定分子光谱的性质,因而利用分子光谱,可以研究分子内部运动情况。

图1 图2 分子的构型和构象

相同成分的分子中,若原子的排列次序和排列方式不同,可形成不同的分子。例如C2H6O分子可以排列为乙醇分子,也可以排列为二甲醚分子,它们的结构式如图2所示分子的结构式反映分子内部原子的排列次序。组成分子的成分相同,而排列次序不同,形成两种或两种以上的分子,这种现象称为同分异构现象,这些成分相同结构不同的分子称为同分异构体

分子的结构式一般只反映分子中原子的连接次序,而决定分子形状的键长和键角的数值,需要通过实验测定。反映分子中原子在空间的排列次序与分布称为分子的构型。分子中原子间的化学键长与键角则称为立体构型参数。

对有些分子,当它的构型确定时,分子的形状大小也就确定了,例如水分子、甲烷分子、苯分子等。有些分子在一定的构型条件下,分子的形状还会随原子的相对位置而改变。例如乙烷(C2H6)分子在相同的连接次序及相同的键长键角数据下,还可以有交叉式(图3之a)和重叠式(图3之b)两种不同形状,这种情况称为分子的构象。不同构象的分子,能量有一定差别,它们的对称性亦不同,对于乙烷分子,常温下交叉式的构象比较稳定。

图3 分子常数

在一定状态下,分子的形状和大小、结构和性质都是一定的。

研究分子的力学性质、热学性质、电学性质以及分子光谱等实验数据,可以获得分子的平均运动速度、碰撞频率、分子直径(按球体直径计算)、电离电位(即中性分子最低能态和离子的最低能态的能量差)、离解能(即分子最低能态分解为原子基态的能量差)、核间距离(即键长)、分子振动的力常数、偶极矩等物理量,还可以给出描述分子振动和转动状态的物理量数据。这些数据统称为分子常数,是描述分子结构和物理性质的重要数据。具体数值,见双原子分子纯转动光谱

分子质量

原子通过化学键结合成分子, 分子有确定的质量。分子的质量与12C原子质量的1/12之比叫做分子量。通常的碳元素由12C、13C、14C组成,因此碳的原子量为12.011。氢的原子量为1.088,氧的原子量为15.999,而乙醇(C2H6O)的分子量为 2×12.011+6×1.088+1×15.999=46.069克。0.012千克的12C含12C原子6.022 52×1023个,称它为1摩尔(或1克原子);同理,46.069克的乙醇含有同样数目的乙醇分子,称为1摩尔(或1克分子)的乙醇。

通常把分子量大于10 000的分子称为高分子,当然这个界限并不是绝对的。分子量大到一定的程度,分子会出现一些特有的性质。高分子在工业上和生物化学上十分重要,例如塑料、橡胶、油漆、木材、蛋白质、核酸、多糖等等都是高分子材料。

分子的分子量可通过实验测定。测定分子量的方法很多,其中以质谱法最优越,现代的高分辨质谱仪测量分子量的精度可高于质量数的万分之一。其他如气体状态法,可测定气体分子的分子量,X 射线衍射法可测量晶体的分子量,溶液渗透压法主要应用于测定高分子的分子量等。

分子的寿命

处于基态的分子在光、热、电等形式能量的作用下,可能改变结构,形成受激态(或称激发态)分子。受激态分子存在的时间往往很短,有的寿命只有微秒数量级或更短,故又称为准分子。利用闪光光解和分子光谱等实验,已对若干准分子的寿命、结构以及其他分子常数等进行过研究。

从射电天文学和分子光谱学的研究得知,星际之间存在许多分子,如OH、CN、SiO、CS、HCN、SO、CH、N2H、NS、HCO等,这些分子在地球上是极不稳定的,但却能稳定地存在于星际空间,这是因为它们处于分子极为稀薄的天空之中,在不受其他分子干扰的状态下,可以长期存在。

参考文章