五、分子
分子的概念是阿佛加德羅於1811年明確提出的。自然界的大部分物體都是直接由分子所構成的。各種物質的分子量變化很大。最小的氫分子是2,而大腸杆菌的DNA分子量達25億。分子的形狀有多種多樣,可以呈現出直線形、三角形、正方形、棱錐形和蹺板形等等。根據分子的偶極矩大小,分子可有極性分子與非極性分子之分;根據分子內部化學鍵的性質,又有離子型分子與共價型分子之別。
分子內部既存在排斥作用(分子的平動能,分子內各原子或原子團的轉動能,振動能,原子核之間或電子間的電性排斥能,泡利不相容原理規定的排斥作用,以及測不準關係所描述的排斥作用等),也存在吸引作用(各原子或離子間的電磁吸引作用)。分子正是處於這兩種作用相互平衡的狀態而存在的。當分子內部的兩種作用失去平衡時,分子就會發生質變,出現化學變化或化學反應。
從分子組成的角度看,除了一般的無機物分子和有機物分子外,配位化合物分子在現代化學研究中越來越引人注目。配位化合物分子可以分為單核配位化合物分子(如金屬有機化合物分子)和多核配位化合物分子(如原子簇)。有人認為,“未來的化學是無機化學和有機化學的雜交物——金屬有機化學”,可見配位化合物分子的重要性。
從分子量大小看,可以分為低分子(分子量在1000以下),低聚物(分子量在1000~10000之間)和高聚物或高分子(分子量在10000以上)。隨著現代化學的發展,高分子所處的地位日益重要,對高分子的研究也日益深入。一般說來,高分子依其主鏈的組成或結構不同,可以分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物、元素有機高分子(如有機矽油脂)和無機高分子(如聚氯化矽氧烷)等;根據高分子鏈中單鍵的內旋轉情況,又可分為柔性高分子和剛性高分子。
高分子分子量高、分子長大(可用端間距和回轉半徑描述)、形狀各異,有線狀、枝狀、網狀,近幾年又先後合成出星形、梳形、蓖形和梯形等多種類型的高分子。從物理性質來看,高分子沒有沸點,其溶液的粘度高,比重低,耐腐蝕,脹溶,絕緣性高。但也有一些導電性強的高聚物,或是依靠離子導電作用(如聚電解質的聚丙烯酸,離子交換樹脂等),或在其分子中有特殊的化學結構(如共軛連鎖),而呈現出較強的導電性。
此外,化學研究中所關注的還有以晶體形態體現的巨型分子。例如離子晶體,由於其中的陰陽離子交錯排列而分不出獨立的分子界限,以至整個晶體都可視為一個巨型分子。金屬晶體、原子晶體的情況也如此。這些巨型分子依照其分子形狀可以分為三維網絡巨分子晶體(如金剛石、食鹽、一般金屬)、二維網絡巨分子晶體(如石墨、CdI2晶體)和一維網絡巨分子晶體(如石棉等)。巨分子晶體中原子或離子之間的化學鍵性質與晶體的宏觀性質密切相關。
六、超分子體係
近幾十年來,化學家們已經發現了越來越多的超分子體係,日益引起廣泛注目,以致產生了一門新的化學分支學科——超分子化學。
超分子體係是靠範德華力而形成的分子間聚集體,有下麵幾種:(1)集團與集團間構成選擇性相互作用體係;(2)分子配合物,如I2-澱粉分子、H3N→BF3;(3)分子-表麵化學吸附體係,如N2與鐵觸媒的催化活性中心所構成的體係;(4)氫鍵體係,如H2S-H2O體係;(5)生物大分子體係,如DNA、酶-底物。
準確地說,超分子體係都是由非鍵態和配鍵態組成的,既有部分選擇性範德華力性質,又有部分共價鍵性質。超分子體係內部相互作用表現出強烈的選擇性(電子結構選擇性、立體結構選擇性和軌道對稱選擇性)。
此外,還有一類新型的物質分子屬於超分子層次。這類分子由兩個或兩個以上分子套合在一起,但彼此之間沒有直接鍵合,例如下圖所示的分子就是屬於這類“沒有化學鍵”的分子。
世界是在運動發展著,科學也是在進步之中。隨著新的物質結構單元被發現,人類的視野越來越開闊。化學認識也隨著對於新的物質對象及其運動的探索而逐步深化。因此化學的物質對象是一個變化的、曆史的範疇。到目前為止,我們認識到以分子轉變為標誌的化學運動,不僅涉及到了分子,還涉及到了原子、原子核和超分子等四個層次的化學物質,並與四種作用力——核力、靜電力、化學鍵、範德華力相關,特別是同化學鍵更為密切相關。今後,隨著化學發展,未來化學研究的物質領域必將越來越廣泛,所涉及的相互作用力也將越來越複雜,化學對象的領域也將越來越擴展。