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化学分子结构模型

化学分子结构模型

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 化学分子结构模型


化学分子结构模型是指可以利用模型可以帮助人们记忆和理解物质分子的空间结构和展示物质分子中各元素的原子在空间的排列状况。对于学习化学知识有很大帮助,来推理论证与计算技术,模拟出化学分子的外观或性质,属于计算化学与计算生物学领域的研究对象。并且是化学与生物学上,如结构生物学等学门所应用的研究方法。

分子可以由同种原子构成,也可以由不同种类的原子构成。最简单的分子只含有一个原子,如稀有气体的分子。大多数非金属构成的分子为双原子分子,如氮、氧等分子。化合物是由不同元素组成的分子,为数最多。

1.[molecule]∶物质的单元,能够保持与原物质化学一致性的元素的最小粒子或原子的化学结合的最小粒子(如化合物);分子是由原子组成的。在化学变化中,分子可再分,原子不可再分。
2.[numerator]∶分式中在横线之上的那部分。
分子是独立存在而保持物质化学性质的最小粒子。
分子有一定的大小和质量;分子间有一定的间隔;分子在不停的运动;分子间有一定的作用力;分子可以构成物质,分子在化学变化中还可以被分成更小的微粒:原子。分子可以随着温度的变化,在3态中互相转换
同种分子性质相同,不同种分子性质不同。
最小的分子是氢分子的同位素,是没有中子的氢分子,称为氕,质量是1。大的分子其相对分子质量可高达几百万以上。相对分子质量在数千以上的分子叫做高分子。分子是组成物质的微小单元,它是能够独立存在并保持物质原有的一切化学性质的最小微粒。分子一般由更小的微粒原子构成,按照组成分子的原子个数可分为单原子分子,双原子分子及多原子分子;按照电性结构可分为有极分子和无极分子。不同物质的分子其微观结构,形状不同,分子的理想模型是把它看作球型,其直径大小为10E-10m数量级。分子质量的数量级约为10E-26kg。

化学分析
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。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构成,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。由两个原子构成的分子称双原子分子,例如氧分子,由两个氧原子构成,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构成,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。例如二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子构成。一个苯分子包含六个碳原子和六个氢原子,一个猪胰岛素分子包含几百个原子。
物质中能独立存在并保持其组成和一切化学特性的最小微粒。分子是由原子用化学键结合在一起而构成的,原子之间的作用力比较强,但分子之间的作用力却相当弱,这种力称为范德华力,所以分子在一定程度上表现出独立粒子的行为。
最早提出比较确切的分子概念的化学家是意大利A.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。分子是由原子组成的,单质分子由相同元素的原子组成,化合物分子由不同元素的原子组成。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H.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。
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。
 
化学分子结构模型可拼装模型模型基础信息化学分子结构种类原子球展示五氧化二磷金刚石晶体石墨烯晶体氯化钠晶体其它化学模型

分子科学相关概念
分子设计
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。
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,还可以有交叉式和重叠式两种不同形状,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。
分子常数
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6.0221367×10^23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。 
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。 
实验式
分子的一个特征就是组成化合物的元素比例总是整数。例如,纯水中氢和氧的比例总是2:1,乙醇中碳、氢、和氧总是以2:6:1的比例组合。利用各种元素的比例和化学符号就可以组成分子的实验式。但是单凭实验式是无法决定分子的类别——如乙烯的实验式就与丙烯一样(同是CH2),尽管这两个分子的原子数或质量都不同。
化学式
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。

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