1.3.1 分子 - Molecules


两个或多个原子通过吸引力结合在一起形成分子（Molecule）[1]。


一些物质由分子构成，如氧气，水，二氧化碳，氯化氢（盐酸的主要成分），葡萄糖。在由分子构成的物质中，分子是保持其化学性质的最小单位[1]，即，将分子破坏或者重构，由分子构成的物质的化学性质会发生变化。

此外，还有很多其他不由分子组成的物质。


分子可以用分子式（Molecular formula）来表示。首先，写出分子中出现的各原子，然后将各原子在分子里出现的个数标记在原子的右下角，如分子中某原子只有一个，"1"需省略。比如，一个分子由2个O原子构成，则这个分子的分子式为O2（氧气分子）。假如一个分子由2个H原子和1个O原子构成，则这个分子的分子式为H2O（氧化氢分子，即水分子）。

此外，分子式不仅可以表示分子，也可以表示由这个分子组成的物质。

思考1：由3个H原子和1个P原子构成的分子的分子式是什么？


以下为一些常见分子的分子式：HCl（氯化氢，盐酸和胃酸的主要成分），CO2（二氧化碳），CO（一氧化碳），SO2（二氧化硫），SO3（三氧化硫），HNO3（硝酸），CH4（甲烷），C2H6（乙烷），C3H8（丙烷），C2H4（乙烯），C3H6（丙烯），C6H6（苯），C2H4O2（乙酸，醋的酸性来源），C6H12O6（葡萄糖）。建议读者用2分钟时间将这些分子和分子式记熟。

思考2：猜测丁烷（含有4个碳原子）和丁烯（含有4个碳原子）的分子式。（注：天干顺序为甲乙丙丁戊己庚辛壬癸）


在书写分子式时，通常将正电性的部分写在前面，负电性的部分写在后面。水的分子式通常不会写成OH2，因为在水分子中，H有正电性（即带正电），O带负电。后续章节将对 如何判断原子的电性 进行更详细的讨论。

常见的不符合这个规律的分子式包括CH4（甲烷，天然气的主要成分），C2H6O（乙醇，酒的主要活性成分），NH3（氨），SiH4（甲硅烷/四氢化硅），它们往往属于有机物或类有机物。后续章节将对有机物的书写进行更详细的讨论。


两个不同的物质的分子式也可能相同，因为分子式相同仅代表着其组成元素及比例相同，并不意味着其结构（原子连接顺序）也相同。比如葡萄糖和果糖（以及一些其他糖）的分子式都是C6H12O6。这种现象叫做同分异构现象，葡萄糖和果糖互为同分异构体（Isomer）。刚才提到的C3H6，C2H4O2，C2H6O都有同分异构体。后续章节将对同分异构体进行更详细的讨论。


并不是所有的原子搭配都能组合成分子。一些"分子"由于太不稳定，导致其只能在一些极端环境下存在，而在常温常压下会立即解离，或重构，如He2。而另一些"分子"违背了分子组合原理，在什么条件下都不可能稳定存在，如CH19。在“化学键”一节中，将对分子稳定性进行更详细的讨论。


除了分子式之外，还有一种表示分子的方式：最简式，用元素符号表示分子中各元素的原子个数比。最简式是分子式各下标约分后的化学式。C6H6的最简式为CH，C10H8（萘，早期樟脑丸的主要成分）的最简式为C5H4。

思考3：C2H6的最简式是什么？

思考4：CH2可能是什么分子的最简式？


仅知道物质的最简式，即可计算各元素的质量占该物质的质量比值。以H2O为例：

H元素占H2O的质量比为：2×H的相对原子质量/(2×H的相对原子质量+O的相对原子质量) = 2×1.008/(2×1.008+15.999) = 11.19%。

思考5：元素分析可测量各元素的质量比。通过元素分析测得某种由分子构成的物质的各元素质量比为：C元素40%，H元素7%，O元素53%。这个分子的最简式是什么？能确定这种分子的分子式吗？


与原子相同，分子的质量也可以用相对分子质量来表示，其数值为分子内各原子的相对原子质量的总和，用Mr表示。

Mr=ΣAr

比如，H2O相对分子质量 = 2×H的相对原子质量+O的相对原子质量 = 2×1.008+15.999 = 18.015。

思考6：请计算C2H2（乙炔）的相对分子质量。


思考1答案：

H3P，或者PH3，磷化氢

思考2答案：

C4H8，C4H8

思考3答案：

CH3

思考4答案：

CH2可能是很多分子的最简式，比如C2H4（乙烯），C3H6（丙烯/环丙烷），C4H8（丁烯/环丁烷）…

思考5答案：

通过各元素质量比求分子最简式，可以用各元素的质量除以它们各自的原子质量可以得到各元素的摩尔数，然后计算摩尔数之比。

已知C元素质量占比40%，H元素质量占比7%，O元素质量占比53%，C、H、O的原子质量分别约为12.01 g/mol、1.008 g/mol、16.00 g/mol。相除，计算得到的摩尔数比大约为：C:H:O ≈ 1.01:2.10:1.00。将这些比例四舍五入到最接近的整数，因此最简式可以表示为 CH2O。

只知道最简式不能确定分子式，此分子可能是CH2O（甲醛），也可能是C2H4O2（乙酸），也可能是C6H12O6（葡萄糖/果糖）。

思考6答案：

2×C的相对原子质量+2×O的相对原子质量 = 2×12.011+2×15.999 = 56.020。


对本节内容有贡献的科学家包括：

  • 阿伏伽德罗：定义分子

  • 拉瓦锡：发明元素分析（注：当时甚至没有"分子"这一概念）