物质的结构

目录

• 分子
• 原子
  • 原子结构
• 离子
• 化学键
  • 二、为什么原子要“成键”？
  • 第一种：离子键
    • 注意：NaCl不是一个“NaCl分子”
  • 第二种：共价键
    • 氧气 O₂也是共价键
    • 氮气 N₂更加典型
    • 共价键不只是“两个相同原子”
  • 第三种：金属键
  • 三种化学键放在一起
  • 电子为什么会影响化学键？
• 化学键和“分子”是什么关系？
• 化学键和“化学反应”有什么关系？
  • • 原来
    • 反应过程中
    • 最后
• 这就解释了“为什么化学反应会放热/吸热”
• 一张“化学入门地图”

---

物质由什么构成？
物质在微观上，主要可以由原子、分子或离子中的一种或多种微粒构成。

                     物质
                       │
              ┌────────┼────────┐
              ↓        ↓        ↓
             原子      分子      离子
              │        │        │
              ↓        ↓        ↓
             Fe       H₂O      Na⁺
             Cu       O₂       Cl⁻
             He       CO₂      SO₄²⁻

分子和原子的上下关系：

---

分子

由两个或多个原子构成的复杂粒子，用化学式表示（如 H₂O），原子间通常以化学键结合在一起；

原子

定义：
原子（英语：atom）是构成化学元素的普通物质的最小单位；

原子也是化学变化中最小的粒子及元素化学性质的最小单位。

原子是构成物质的一种基本微观粒子。

原子结构

原子结构是指原子的构成组成以及部分的搭配和安排。原子是组成物质的微观粒子。

原子模型结构也是经过多次迭代了，这个也并非最终版。

迭代的过程：
TODO

---

离子

离子是一个带电的原子或原子团。

离子和电子的区别：

物质
 ↓
微观粒子
 ├── 原子
 ├── 分子
 └── 离子
      ↓
    原子/原子团
      ↓
   由原子组成
      ↓
   原子内部有电子

比如：

电子：    e⁻
           ↓
       一个很小的基本粒子

离子：    Na⁺
           ↓
       一个失去电子后的钠原子

---

化学键

是什么化学键：

原子 + 原子 + 原子
        ↓
      化学键
        ↓
      分子

总结：化学键，就是原子之间使它们能够结合在一起的一种相互作用。

例如两个氢原子：

H        H
│        │
└──靠近──┘
     ↓
   H—H

形成 H₂ 分子。

中间这个 — 就是在表示一种化学键，这里是共价键。

常见的三类化学键：

                     化学键
                       │
          ┌────────────┼────────────┐
          ↓            ↓            ↓
        离子键        共价键        金属键
          │            │            │
       得失电子      共享电子       金属内部

二、为什么原子要“成键”？

这是理解化学键最关键的问题。

原子的最外层有电子：

原子
│
├── 原子核
│
└── 核外电子
       │
       └── 最外层电子

很多原子在与其他原子结合后，体系的能量会降低、变得更加稳定。

因此可以非常粗略地理解成：

原子通过得失电子、共享电子等方式形成更稳定的状态，于是原子之间形成了化学键。

注意，这是一种入门模型。真正的化学键本质涉及量子力学中的电子结构和电磁相互作用。

---

第一种：离子键

先看钠和氯。

钠 Na 最外层有1个电子：

Na：最外层 1 个电子

氯 Cl 最外层有7个电子：

Cl：最外层 7 个电子

于是可以发生：

Na → Na⁺ + e⁻

Cl + e⁻ → Cl⁻

结果：

Na⁺          Cl⁻
正离子       负离子
  ↓            ↓
      相互吸引
          ↓
       NaCl

这就是离子键。

更准确地说：

阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫离子键。

---

注意：NaCl不是一个“NaCl分子”

这是初学者特别容易搞混的地方。

写：

NaCl

并不意味着存在一个独立的：

Na—Cl

分子。

NaCl 是由大量：

Na⁺  Cl⁻  Na⁺  Cl⁻
Cl⁻  Na⁺  Cl⁻  Na⁺
Na⁺  Cl⁻  Na⁺  Cl⁻

按照一定规律排列形成的离子晶体。

所以：

• H₂O → 可以说水分子
• CO₂ → 可以说二氧化碳分子
• NaCl → 通常说氯化钠中的 Na⁺ 和 Cl⁻，而不是“NaCl分子”

---

第二种：共价键

共价键可以理解成：

两个原子共同使用一对或多对电子。

例如 H₂。

两个氢原子各有一个电子：

H ·       · H

它们把电子“共享”：

H : H

也可以写成：

H—H

这个 — 就表示：

一对共享电子

因此：

H—H
 ↑
一条共价键

---

氧气 O₂也是共价键

氧原子最外层有6个电子。

两个氧原子为了形成更稳定的电子结构，会共享两对电子：

O = O

这里：

=

表示：

两对共享电子

因此 O₂ 中存在双键。

---

氮气 N₂更加典型

氮原子最外层有5个电子。

两个氮原子共享三对电子：

N ≡ N

这里：

≡

表示三对共享电子。

所以：

表示	名称	共享电子对
H—H	单键	1对
O=O	双键	2对
N≡N	三键	3对

---

共价键不只是“两个相同原子”

例如水：

H₂O

H—O—H

氧和氢之间也是共价键。

再比如二氧化碳：

O=C=O

也是共价键。

所以：

非金属原子之间非常常见共价键。

---

第三种：金属键

金属比较特殊。

例如一块铁：

Fe  Fe  Fe  Fe
 Fe  Fe  Fe
Fe  Fe  Fe  Fe

金属原子的价电子并不是简单地固定在某两个原子之间，而可以在整个金属结构中较自由地运动。

入门阶段可以把金属理解成：

正的金属离子/金属原子实
      ↓
[Fe] [Fe] [Fe] [Fe]
 [Fe] [Fe] [Fe]

~~~~~~~~~~~~~~
自由移动的电子
~~~~~~~~~~~~~~

这种金属内部的特殊结合方式称为：

金属键

它也是金属具有良好导电性、导热性和延展性的重要原因之一。

---

三种化学键放在一起

可以建立这样一张表：

化学键	核心机制	常见对象	例子
离子键	阴阳离子之间的静电作用	金属 + 非金属形成的离子化合物等	NaCl
共价键	原子之间共享电子	非金属原子之间等	H₂、O₂、H₂O、CO₂
金属键	金属内部电子的离域与金属原子实之间的作用	金属	Fe、Cu、Al

---

电子为什么会影响化学键？

这就连接到了你刚才学的原子结构。

你可以把整个逻辑串起来：

原子
 ↓
原子核 + 电子
 ↓
电子分布
 ↓
特别关注最外层电子
 ↓
原子之间发生相互作用
 ↓
得失电子 / 共享电子 / 电子离域
 ↓
形成化学键
 ↓
形成分子、离子晶体、金属晶体等
 ↓
形成各种物质

这实际上就是化学的一条非常重要的主线。

---

化学键和“分子”是什么关系？

这里再区分一下。

例如水：

H₂O

H—O—H

这里：

• H：氢原子
• O：氧原子
• —：共价键
• H—O—H：一个水分子的结构表示

所以：

原子通过化学键结合，可以形成分子。

但并不是所有化学键都产生“分子”。

例如 NaCl：

Na⁺  Cl⁻  Na⁺  Cl⁻
Cl⁻  Na⁺  Cl⁻  Na⁺

它形成的是离子晶体结构，而不是一个个独立的 NaCl 分子。

---

化学键和“化学反应”有什么关系？

这就能和你上一个问题连接起来。

比如：

H₂ + O₂ → H₂O

微观上可以粗略理解成：

原来

H—H       O=O

反应过程中

原来的化学键被破坏，同时形成新的化学键。

最后

H—O—H

于是形成新的物质。

所以：

化学反应的微观本质之一，就是原有化学键的断裂和新化学键的形成，同时伴随原子的重新组合。

---

这就解释了“为什么化学反应会放热/吸热”

现在你就能把之前的知识连起来了：

化学反应
    ↓
旧化学键断裂
    ↓
需要吸收能量

同时

新化学键形成
    ↓
释放能量

如果：

形成新键释放的能量
>
断裂旧键吸收的能量

总体就是：

放热反应

反过来：

形成新键释放的能量
<
断裂旧键吸收的能量

总体就是：

吸热反应

所以你之前问的：

“放热和吸热是化学变化吗？”

现在可以更深入地理解：

放热/吸热不是化学变化的定义，而是化学反应中能量变化的表现。

---

一张“化学入门地图”

串成一条线：

                    物质
                      │
             ┌────────┴────────┐
             ↓                 ↓
          物理变化           化学变化
                               │
                               ↓
                         原子的重新组合
                               │
                               ↓
                         化学键发生变化
                               │
                ┌──────────────┼──────────────┐
                ↓              ↓              ↓
              离子键          共价键          金属键
                │              │              │
             Na⁺ Cl⁻        H—H / O=O       Fe / Cu
                │              │
                ↓              ↓
             离子晶体          分子