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分子(物理化学术语)

分子是由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体,这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。由于分子内原子间的相互作用,分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目,更取决于分子的结构。 

分子结构或称分子立体结构、分子、分子几何,建立在光谱学

分子结构最好在接近绝对零度的温度下测定,因为随着温度升高,分子转动也增加。量子力学和半实验的分子模拟计算可以得出分子形状,固态分子的结构也可通过X射线晶体学测定。体积较大的分子通常以多个稳定的构象存在,势能面中这些构象之间的能垒较高。

分子结构涉及原子在空间中的辣遥位置,与键结的化学键种类有关,包括键长、键角以及相邻三个键之间的二面角。

原子在分子中的成键情形与空间排列:分子结构对物质的物理与化学性质有决定性的关系。最简汽求淋单的分子是氢分子,1克氢气包含10²³个以上的氢分子。一个水分子中2个氢原子都连接到一个中心氧原子上,所成键角是105.3°。分子中原子的空

因尚无真正适用的分子结构理论,复杂分子的细致结构不能预言,只能从实验测得。量子力学认为,原子中的轨道电子具有波动性,用数学方法处理电子驻波(原子轨道)就能确定原子间或原子团间键的形成方式。原子中的电子轨道在空间重叠愈危婚汽妹多,形成的键愈稳定。量子力学方法是建立在实验数据和近似的数学运算(由高速电子计算机进行运算)相结合的基础上的,对简单的体系才是精确的,例如对水分子形状的预言。另一种理论是把分子看成一个静电平衡体系:电子和原子核的引力倾向于最大,电子间的斥力倾向于最小,各原子核和相邻原子中电子的引力也是很重要的。为了使负电中心的斥力减至最小,体系尽可能对称的排列,所以当体系有2个电子对时,它们呈线型排列(180°);有3个电子对时呈三角平面排列,键角120°。

分子的键有三种极限类型,即离子键、共价键和金属键。定位于2个原子之间的键称为定域键。由多个原子的共有电子形成的多中心键称为离域键。此外还有过渡类型的键:键电子偏向一方的共价键称为极性键,由一方提供成键电子的键称为配位键。通过这些类型的键把原子按一定的空间排列结合成分子,形成分子的构型和构象。例如碳是共享电子对键(共价键)的基本参加者,碳和氢二种元素的原子可形成烃类化合物,正四面体构和担煮危的CH₄是其中最简单的烃,还可形成环状化合物,例如环己烷;硅和氧是矿物质的基本元素,云母和石英都含有硅氧单元。金属原子被夹在烃环平面中间构成夹心化合物。蛋白质的基本成分是一端接碱性基,一端接酸性基的二官能分子α-氨基酸。化学组成和分子量相同但分子结构不同的物质互称为纸删姜异构体。当2种异构体其他性质相同,只是旋光方向相反,这一类异构体称作旋光异构体。可用X射线等衍射法、各种光谱、波谱、能谱和质谱法等测定或推测分子的结构。

1.分子之间有间隔。例如:取50毫升酒精和50毫升水,混合之后,体积小于100毫升。

2.一切构成物质的分子都在永不停息地做无规盼戏骗则的运动。温度越高,分子扩散越快,固、液、气中,气体扩散最快。由于分子的运动跟温度有关,所以这种运动叫做分子的热运动。例如:天气热时衣服容易晒干

3.一般分子直径的数量级为10⁻¹⁰m。

4.分子很小,但有一定的体积和质量。

5.同种物质的分子性质相同,不同种物质的分子性质不同。

最早提出比较确切的分子概念的化学家是意大利阿伏伽德罗,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(构成)的,单质分子由相同元素的原子组成(构成腿承赠),化合物分子由不同元素的原子组成(构成)。在化学变化中,不同物质的分子中各种原子进行重新结合。”

自从阿伏伽德罗提出分子概念以后,在很长的一段时间里,化学家都把分子看成比原子稍大一点的微粒。1920年,德国化学家施陶丁格开始对这种小分子一统天下的观点产生怀疑,他的根据是:利用渗透压法测得的橡胶的分子量可以高达10万左右。他在论文中提出了大分子(高分子)的概念,指出天然橡胶不是一种小分子的缔合体,而是具有共价键结构的长链大分子。高分子还具有它本身的特点,例如高分子不像小分子那样有确定不变的分子量,它所采用的是平均分子量。

随着分子概念的发展,化学家对于无机分子的了解也逐步深入,例如氯化钠是以钠离子和氯离子以离子键互相连接起来的一种无限结构,很难确切地指出它的分子中含有多少个钠离子和氯离子,也无法确定其分子量,这种结构还包括金刚石、石墨、石棉、云母等分子。

在研究短寿命分子的方法出现以后,例如用微微秒光谱学研究方法,测得甲基(CH₃·)的寿命为10⁻¹³秒,不但寿命短,而且很活泼,其原因是甲基的价键是不饱和的,具有单数电子的结构。这种粒子还有CH·、CN·、HO,它们统称为自由基,仅具有一定程度的稳定性,很容易发生化学反应,由此可见自由基也具有分子的特征,所以把自由基归入分子的范畴。还有一种分子在基态时不稳定,但在激发态时却是稳定的,这种分子被称为准分子。从分子水平上研究各种自然现象的科学称为分子科学,例如动物学、遗传学、植物学、生理学等正在掌握各种形式的不同种类分子的性能和结构,由分子的性能和结构设计出具有给定性能的分子,这就是所谓分子设计。在化学变化中,分子会改变,而原子不会改变。

高分子组成:一个大分子往往由许多简单的结构单元通过共价键重复键接而成。合成聚合物的原料称为单体,通过聚合反应,单体才转变成大分子的结构单元。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物,由两种以上单体共聚而成的聚合物则称为共聚物。

特点: 高分子与低分子化合物相比较,分子量非常高。由于这一突出特点,聚合物显示出了特有的性能,表现为“三高一低一消失”。既是:高分子量、高弹性、高黏度、结晶度低、无气态。因此这些特点也赋予了高分子材料(如复合材料、橡胶等)高强度、高韧性、高弹性等特点。

高分子类型:高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时,叫线型高分子。这种高分子在加热时可以熔融,在适当的溶剂 中可以溶解。

高分子化合物中的原子连接成线状并带有较长分支时,叫支链型高分子。这种高分子也可在加热时熔融,也可在适当的溶剂中溶解。

如果高分子化合物中的原子连接成网状时,则叫网状高分子,这种高分子由于一般都不是平面 结构而是立体结构,所以也叫体型高分子。体型高分子加热时不能熔融,只能变软和弹性增大;不能在任何溶剂中溶解,只能在某些适当的溶剂中溶胀。

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双原子分子纯转动光谱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。

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。0.012千克的¹²C含¹²C原子6.0221367×10²³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10000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。

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,

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C₂H₄和C₃H₆。但化学式相同并不代表两个分子是一样的物质,因为分子中原子的排列和组合,亦即分子的结构,也是决定分子性质的要素。同样的原子但排列不同的分子叫同分异构体。同分异构体有同一化学公式但因不同结构的关系有不同的特质。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,而同时有十分不同的生物化学性质。

由量子力学的定律的演算,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。

北京时间2014年8月29日,据国外媒体报道,美国耶鲁大学的科学

研究中,耶鲁大学的科学家利用激光降低一氟化锶的温度,这一过程被称之为“磁光捕获”。通过直接冷却将分子温度降至接近绝对零度(零下)是物理学领域的一个里程碑式成就。耶鲁大学物理学教授和首席研究员戴夫-德米勒博士表示:“我们可以开始研究在接近绝对零度时发生的化学反应。我们有机会了解基本的化学机制。”

过去,磁光捕获就是原子物理学家非常推崇的一项技术,但只在单个原子尺度。这项实验取得的巨大成就是创造了有记录以来分子——两个或者更多原子群——温度的最低纪录。这项技术利用激光冷却粒子同时将它们固定在适当位置。德米勒博士解释说:“想象一下一个浅碗,里面装着一点糖蜜。如果将一些球滚到碗里,它们会缓慢下沉,最后堆积在碗底。具体到我们的实验,分子就是这些小球,装糖蜜的碗通过激光束和磁场打造。” 

一直以来,分子的复杂振动和旋转还是一个巨大挑战,无法进行磁光捕获。

德米勒和他的同事在一个地下实验室研制他们的实验仪器。他们的仪器采用大量线路、电脑、电气元件、镜子和低温冷藏装置。冷却过程中,他们使用十几道激光,每一道激光都进行精确控制。德米勒表示:“想象一下将一幅展示高科技的图像放入词典,我们做的就是类似的事情。一切虽然很有秩序,但还是有一点乱。”

耶鲁大学的研究小组之所以选择一氟化锶是因为它们的结构比较简单——一个电子环绕整个分子移动。德米勒指出:“我们一度认为最理想的选择是双原子分子。”这一研究成果打开了一扇门,能够应用于一系列领域——从精确测量和量子模拟到超冷化学再到粒子物理学标准模型的测试——让科学家进行进一步实验。” 



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