原子到分子

2.原子到分子

我们怎样才能证明原子的存在呢？

观察原子的方法

我们一直以为原子可以看到，并可以详细地讲解原子的形态及构造。其实，到目前为止还没有任何方法可以直接看到它的真面目。原子小到用光学显微镜无法看到，即使电子显微镜也没有办法。不过，我们可以用直接的方法观察电子，并直接证明电子确实是存在的。

相信大家都知道，飞机在高空飞行会造成云带。同样地，像氢或氦的原子核那样，带电粒子在含有水蒸气的潮湿气体中飞过时，会生出雾一般的条纹。这些条纹实际上就是粒子的飞迹，我们用肉眼就可以看得到，也可以把它拍成照片。这种记录粒子飞迹的装置叫做“威尔逊雾箱”。

在威尔逊雾箱里面显现的原子核飞迹

另外，我们还可以通过观察分子来观察电子。分子是一种由化学力量将原子结合在一起的东西。有些分子很大，虽然用光学显微镜还是看不见，但用电子显微镜却可以拍成照片。

病菌（Virus）是目前所知道的最大的单个分子。例如，脊髓灰白质炎病菌———波里奥（Polio），它是最普遍的病菌，是由数千个原子所构成的球形分子。可用电子显微镜清晰地看到它的形态。

1957年，宾州大学的Miillur博士成功地用自己发明的电场离子显微镜，将一粒一粒的原子拍成了照片。在这张照片上，我们可以看到在细钨（tungsten）针表面原子构成结晶格子的情形。照片中的小点表示一个个的原子，亮点表示数个原子集合在一起。照片的倍率（半径的比）大约是100万。

用电子显微镜看到的巨大分子———流行性小儿麻痹症的病菌

用离子显微镜看到的钨针表面的原子排列

麻省理工大学的Barger博士也用X光将原子在黄铁矿结晶中的位置一粒一粒地记录了下来。构成黄铁矿的是铁和硫，它是二硫化铁。也就是说它的每一个分子中都包含一个铁原子和两个硫原子。

原子的体积非常小，铁原子的直径大约只有一亿分之一厘米。

在这张照片中并没有显示出原子的形态，而只是告诉了我们在结晶中各原子的位置。

混合物和化合物

用X光记录的黄铁矿的原子排列

用磁铁将铁粉和硫黄分开

铁和硫的原子到底是怎样结合在一起并构成分子的呢？

将铁粉和硫黄粉混在一起搅拌。不管搅多久，仔细看，还可以将铁粉和硫黄粉区分出来。不仅如此，搅拌后，还可以将它们分成原来的铁粉和硫黄粉，只需要用一块磁铁就可以吸出里面所有的铁粉。

所以，把铁粉和硫黄粉搅拌，它们只是掺在一起，并未真正结合。这种东西只能叫做混合物。

将这种混合物放进烧锅加热，铁原子和硫原子就会开始发生化学结合。

混合、加热之后，铁原子和硫原子就会丧失自身的性质而结合成为叫做硫化亚铁的化合物。硫化亚铁的性质完全不同于铁和硫黄的性质。

一个铁原子和一个硫黄原子就构成了硫化亚铁（FeS）分子。二硫化铁（FeS₂）跟硫化亚铁很相似。要得到镁的化合物，则比硫化亚铁简单多了。只需要将镁的颗粒加热，例如，把镁放在天平的一边烧，空气自动供给氧原子，这样镁就会跟空气中的氧原子结合，从而得到叫做氧化镁（MgO）的化合物，这样烧过的镁实际上加上了氧原子的重量，从而使天平失去平衡。燃烧产生的氧化镁的性质也完全不同于氧和镁的性质。

铁和硫黄以及镁和氧的这种结合叫做“化学反应”。

Fe+S→FeS（铁跟硫黄结合成为硫化亚铁）

2Mg+O2→2MgO（镁和氧结合成为氧化镁）

元素周期表的直列与横排

我们已经了解化学家是如何将两种元素结合起来，成为化合物的，但是我们还不了解两种元素结合，为什么可以产生化学反应。

原子可以通过多种方式结合成为分子。但是不管是哪一种方式，产生化学反应时，电子在原子轨道上的排列都会发生变化。其实，化学就是一门改变电子排列的学问！

元素周期表的第一横排只有两种元素———氢和氦。它们都只有一个电子层。

第二横排有锂到氖八种元素。它们都有两层电子。第一层容纳两个电子，第二层最多容纳8个电子。各元素的各层上都有固定的电子数。

前面谈过，锂的第二层上只有一个电子，铍有两个，以下按顺序逐个递增电子，直到氖的8个电子，第二层宣告满座。

排在同一直排的元素都属于同一个族，同族元素的化学性质非常相似，它们最外层中所含得电子数是相同的。

元素周期表的其他五行也是一样。各横排的头一个元素都比上一排要多一层，而在最外层中都只有一个电子。

如果你看一眼元素周期表最左边的直列，你就会发现那些元素（原子）最外层中所包含的电子数都是相同的。氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫最外层都只有一个电子。

离子结合

除了氢以外，最左边直排的元素叫做“碱金属”。在进行化学反应的时候，碱金属原子最外层都只有一个电子可以提供给对方。

上述反应在钠与氯结合成食盐分子时也会发生。用二度空间（平面）图表示钠原子，钠原子核内的质子数为11，核外有11个电子与之中和电性。11个电子被分配在三层上，第一层2个，第二层8个，最后1个在最外层。

钠和氯的离子结合

氯原子的电子数为17，分布在三层上，第一层2个，第二层8个，第三层7个。由此可知，钠原子最外层多出一个电子，氯原子则缺少一个电子。所以将双方结合起来，多余和缺少刚好相抵而成为完整的一对。

可以说化学反应实际上就是这样的一种现象，即钠原子最外层单独的电子跳进氯原子最外层面，从而把那个空位填满。

结果，钠原子失去了一个带负电荷的电子，成了带一个单位正电荷的钠原子，而恰恰相反，氯原子因为得到一个电子而成为带一个单位负电荷的氯原子。如此一来，钠原子和氯原子便各自带上了正、负电荷，它们因这种相反电荷的强烈吸引力而结合在一起，形成化合物。

说两种“原子”带着相反的电荷，不如说两种“离子”带有相反的电荷更为准确。原子在失去或得到一个电子后，本身便带上了正或负的电荷，我们把这样的原子叫做离子。所以钠和氯的那种结合叫做“离子结合”。

这种实验很简单。氯是一种淡黄色的有刺鼻气味的有毒气体，将其装满一玻璃瓶，再把一小片钠放进去，钠是一种柔软、亮银色的有毒金属。过不了多久，氯和钠就会自动化合成为食盐。

食盐的结晶构造

当然不管是何种分子，如果要用肉眼看到，就需要有无数的分子聚集在一起。

食盐是一种晶体，首先钠和氯结合成分子，分子再结合成为晶体就是食盐。食盐的晶体呈立方体。如果能够看到这一过程该有多好。

食盐的结晶

食盐晶体是很容易破碎的，晶体的完整形状应该是立方体，我们一般看到的普通食盐的形状都是不完整的。照片中的食盐，复杂的结晶中有数不尽的原子，钠原子和氯原子大约各有10²⁵个，如果写成普通数字就是

10，000，000，000，000，000，000，000，000。

共价结合

原子可以通过好多种方法结合成为分子。食盐的产生是其中的一种。除此之外，还有一种方法也很重要。

跟食盐不同的例子是水的化合。

我们从两个氢原子和一个氧原子的结合开始吧。一个氢原子带有一个电子，而氧的原子核内有8个质子，所以电子也是8个，其中的2个电子分布在第一层上，剩下的6个电子分布在第二层，这就意味着氧原子最外层有两个空位。这么说，两个氢原子的两个电子刚好可以填满那两个空位。但是，氢原子不会无条件地为氧原子提供电子。氧原子的最外层壳上存在两个空位，而氢原子也存在一个空位，这时，每个氢原子都与氧原子共用一个电子，而另一方面，氧原子也分别从两个氢原子处各得一个电子，这样就达到了一种稳定的状态。

原子以这种方式结合在一起构成分子，叫做“共价结合”或“电子对结合”。很多种分子，如糖分子，就是以这种方式结合而成的。

以这种方式结合而成的分子，它们内部存在着非常微小的电流，并且不断地变换方向。因此分子和分子之间仍会互相吸引，从而结合起来，形成我们看得到的水、糖及其他物质。

假如分子内部不存在这种电流，那么分子将无法结合起来，相反还会分散得七零八落。换句话说，所有的物质都会成为像空气那样的气体。