互动科普

原子之间的结合就像插件一样

由于原子间作用力的多样性和复杂性，原子组合成复杂的空间立体结构，构成不同形状的分子、原子团或原子晶体，结构不同表现出的性质也不同。两个原子结合的能量不同，稳定性就不同，一般是结合能越高越稳定。原子团中一般有多个原子，有的原子结合稳定，有的不稳定，化学性质由最不稳定的两个原子的结合能决定的。

水分子是由2个氢原子互成104.5°角连接在1个氧原子上，氢与氧之间是极性共价键结合的，也就是说它们的共用电子（云）偏向于氧原子。如果氢、氧、氢原子排列在一条线上，水分子就不会有极性，但由于2个氢原子偏离一定角度，水分子是个极性分子，这使得水成为一种很好的溶剂。地球上发生的许许多多现象都与水有关，它更是我们身体中不可缺少的物质。二氧化碳也是由极性键构成的，但2个氧原子对称分布在碳原子两边，呈哑铃状，分子整体不显极性，正常情况下是气体。

我们通常说的化合物都是以简单的分子式来表示，比如水分子表示为H₂O，二氧化碳表示为CO₂，二氧化硅表示为SiO₂，显示不出它们的结构。实际上原子的结合真正成为简单分子的是少数（常温下大部分为气体），大部分以原子晶体的形式存在。金属键、离子键结合的物质都是大量的原子结合在一起，共价键结合的物质很多也是原子晶体。二氧化硅与二氧化碳很相近，但结构完全不同，表现出完全不同的性质。到处可见的沙子就是二氧化硅，玻璃也是二氧化硅，1个硅原子以共价键与4个氧原子连接，4个氧原子又分别连着其他硅原子，这样的结构非常稳定。

图中给出了部分可形成共价键的结合及常温常压下的结合能（键能），键能越高，结合强度越大，就越稳定。

部分共价键的键能

图中数据的单位是千焦耳/摩尔，可以除以阿弗加德罗常数换算为一个键的能量，再除以电子电量，单位变为电子伏特。

相同的原子连接不同显示的性质不同

相同的原子连接在不同的位置，会显现出截然不同的性质，我们说这是同素异构体。最典型的例子，就是石墨和金刚石。石墨和金刚石的分子构成均为同样数量的碳原子，但是因为碳原子之间的空间架构关系不同，结构方式不同。石墨原子间构成正六边形的平面结构，呈片状。金刚石原子间是立体的正四面体结构，呈金字塔形结构，从而形成了物理性能差别极大的两种物质——石墨很软，而金刚石则特别坚硬。其化学性能及经济价值也差别极大。

碳单质的同素异构体

再如，甲醚和乙醇（酒精），两者都是具有相同数目的碳原子、氢原子和氧原子组成的。但由于其空间排列结构不同，便形成了两种不同的物质——乙醇是液体，能溶于水；而甲醚则为气体，不溶于水。

有些分子原子种类和数量相同，原子间的连接也相同，但旋转方向不同，也表现出不同的性质。

典型的异构体

【左】构造异构体：构成分子的原子的种类和数目都相同，但是原子的连接方式不同，这些不同的物质叫做构造异构体。

【右】立体异构体：构成分子的原子种类和数目相同，连接方式也相同，但是连接的“方向”不同，这些不同的分子叫做立体异构体。

（本文发表于《科学世界》2011年第11期）