物质的结构

 

Structure of matter

 

 

        有了120种元素的原子，又有了使原子相互结合的化学键，我们就可以把相同或者不同的原子连接起来，构建纷繁复杂的物质了。

        慢着，事情似乎没有这么简单！

       首先，有的原子间能够相互结合，有的原子间则不能相互结合。那么，哪些原子可以相互结合，哪些不能，又为什么不能？

        最早，原子间能否相互结合只能用实验来说明，也就是我们必须研究物质的化学性质（chemical property），随着理论的发展，现在的人们已经可以从原子结构（atomic structure，特别是核外电子的排布）和一些简单的物理化学参数或者性质（physochemical parameter or property, 如第一电离能和电负性），就可以预测原子间相互结合的可能性，他们之间结合的强弱，以及它们之间所形成的化学键的性质（离子的？共价的？极性的？非极性的？），键长、键角、产物分子的形状，等等。

      首先，作为惰性气体（VIII族）的He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn，它们很难与其他原子结合成键，它们的分子也就是它们的原子本身，故称单原子分子。

      其他元素一般都不以单个原子的形式存在，有以下几种可能：1）小分子；2）巨大分子；3）离子晶体；4）金属晶体。

      我们所熟知的氢气（H₂），氧气（O₂）、氮气（N₂）是典型的双原子分子。其中氢气是通过单键结合的H-H，氧气是通过双键结合的O=O，而氮气是通过三键结合的NoN。还有一些大家不太熟知的分子如臭氧(O₃)，大家可能经常听到的消毒和漂白用的过氧化氢（H₂O₂）以及白磷(P₄)，硫（S₈），硼(B₂₀)等，都是元素通过各类的化学键结合而成的小分子，有单质，也有化合物。双原子分子都是直线型的，三原子分子有直线型的，折角型的，三角形的。分子的形状由键的长短（键长Bond length）、键和键之间的角度（键角，bond angle），以及成键电子与孤对电子之间的斥力大小决定，过去只能通过实验测定，现在也可以理论预测。

        这些分子有直线型，三角形，四方形、（三角、四角）锥形、三角双锥，八面体等各种形状。【问题：请查阅相关资料，举例说明各种形状的分子】

        通常原子和小分子的尺寸在1纳米（nanometer）以下，人眼根本看不到。而有些分子，则可以达到微米（micrometer）、毫米(millimeter)、甚至米（meter）级，这种分子就是所谓的巨形分子。例如，美国国家博物馆中展出的希望钻石(hope diamond)实际上就是一个分子。其他，如一个水晶的单晶，一个36吋的硅片，都是一个分子。这种物质都是由共价键形成的，可以在空间上无限延伸而构成一个巨大的分子。

        上图给出了金刚石和石墨的结构示意图。金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但它们的性质却有根本性的区别，归根结底，是由它们的化学键和结构的不同导致的。

        由离子构成的固体成为离子晶体，其化学键的种类属于离子键。离子晶体的结构和规律比较简单，下面给出了几种比较典型的离子晶体（食盐NaCl，氯化钾，闪锌矿ZnS，萤石CaF₂，和金红石TiO₂）的结构。

        除了共价键和离子键外，还有一种特殊的键--金属键。金属原子通过金属键就构成了金属晶体。由于金属键没有方向性，因此金属原子间通常采用堆积的方式结合。

    影响物质结构的因素，除了以上所提到的键长、键角之外，可能还有张力、斥力等。在一系列单键连成的长串分子中，由于单键可以旋转，导致分子链可能产生扭曲。分子往往需要借助一些其他的力，如氢键，亲疏水作用、分子--离子作用等，来保持分子的结构，这一点在生物分子表现的尤为突出。例如最本部分第一周图中显示的蛋白质的结构，就是有一系列作用共同发挥影响而最终得以保持的。