化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，其特征是研究分子和創(chuàng)造分子。
分子、原子、離子、電子等微觀粒子，是化學(xué)最基本的研究對象，這些粒子的結(jié)合、重組，是構(gòu)成物質(zhì)及其物質(zhì)變化和能量變化的根本原因。微粒觀是中學(xué)化學(xué)的核心觀念，是構(gòu)建學(xué)科圖景的重要基礎(chǔ)。
描述物質(zhì)組成時，從宏觀角度描述，物質(zhì)是由元素組成的，從微觀角度描述，物質(zhì)是由原子、分子、離子構(gòu)成的。元素是具有相同核電荷數(shù)(即質(zhì)子數(shù))的同一類原子的總稱。同種元素可能含有不同的中子，如：H、D、T，可能含有不同的中子和電子，如：H、D、T＋，可能含有不同的電子，如Na、Na＋。元素屬宏觀概念，只論種類，不論個數(shù)。元素有兩種存在形態(tài)，即游離態(tài)(存在于單質(zhì)中)和化合態(tài)(存在于化合物中)。物質(zhì)的組成可用下圖表示：
宏觀物質(zhì)都是由微觀粒子構(gòu)成的，構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子是多種多樣的
而且是有層次的，微粒的構(gòu)成觀是微粒觀的基礎(chǔ)。一個具有微粒的構(gòu)成觀的人與他人的區(qū)別，就在于他觀察和感知宏觀物質(zhì)的性質(zhì)時，能透過宏觀物質(zhì)性質(zhì)的表象，思維的潛意識里自然會勾勒出微觀粒子的構(gòu)成圖。
等體積的酒精和水混合后溶液體積不等于兩者之和，而是減?。粶囟壬?，氣體體積變大，壓強(qiáng)增大，氣體體積減小，等等。這些現(xiàn)象都說明了分子間隙的存在。在分子內(nèi)部，當(dāng)原子核與核外電子吸引力以及核與核、電子與電子斥力達(dá)到平衡時，形成化學(xué)鍵的原子核間距保持一定，這就是鍵長。在原子晶體中，原子間通過具有方向性和飽和性的共價鍵構(gòu)成晶體，使得晶體內(nèi)部形成具有特定幾何構(gòu)型的空隙；金屬晶體、離子晶體和分子晶體，盡可能采用密堆積結(jié)構(gòu)，不同的堆積方式其空間利用率也不相同。
晶體中晶格的基本空間構(gòu)型
由于分子內(nèi)的原子間和原子晶體中的原子間是剛性的化學(xué)鍵，金屬晶體、離子晶體和分子晶體采用密堆積結(jié)構(gòu)，因此分子和晶體是不可壓縮的。而氣體分子間距離相對于分子本身要大得多，分子間又是弱的范德華力，因此氣體的體積顯著受溫度和壓強(qiáng)影響。自然和生活現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)事實(shí)都證明了微粒間隙的客觀存在。
加速度的分子
我們把一滴墨水滴入水中可通過分子的自由擴(kuò)散得到均一穩(wěn)定的溶液；通過顯微鏡可觀察到膠體中的花粉無規(guī)則運(yùn)動軌跡(布朗運(yùn)動)，生活中的很多現(xiàn)象都直觀地說明了分子的熱運(yùn)動。
現(xiàn)代結(jié)構(gòu)理論和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)手段揭示了原子核外電子運(yùn)動狀態(tài)和規(guī)律：電子運(yùn)動分能層、能級、原子軌道、自旋等。電子吸收光子就會躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)，反過來，激發(fā)態(tài)的電子會放出光子，返回到基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)，電子的躍遷規(guī)則，解釋了焰色反應(yīng)本質(zhì)和原子光譜確定恒星大氣中存在什么元素的原理。
在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)(伸縮振動—改變鍵長；彎曲振動—改變鍵角)，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)。所以，當(dāng)用紅外線照射有機(jī)物分子時，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同的位置，從而獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。
運(yùn)動是物質(zhì)世界的本質(zhì)屬性。顯然，微粒的運(yùn)動狀態(tài)與能量變化相伴隨。
物質(zhì)的性質(zhì)不僅取決于構(gòu)成物質(zhì)微粒的種類，還決定于微粒間的相互作用。一定種類和數(shù)量的微觀粒子之間通過相互作用按照特定的方式結(jié)合才構(gòu)成特定的物質(zhì)。微粒間主要的和強(qiáng)烈的相互作用就是化學(xué)鍵，這是微粒構(gòu)成物質(zhì)的根本原因。此外，微粒間還存在相對較弱的作用，如分子間作用力、氫鍵，它們和化學(xué)鍵一起，共同決定和影響著物質(zhì)的性質(zhì)。
以晶體為例，不同類別的晶體特征性質(zhì)主要取決于構(gòu)成晶體的微粒種類及其微粒間的作用力。
分子能聚集形成晶體，說明分子間有作用力存在，而分子晶體熔點(diǎn)和沸點(diǎn)均較低，說明分子間作用力是一種較弱的作用力，分子晶體的狀態(tài)變化僅改變分子間作用力這一層次的微粒作用，而并未破壞分子內(nèi)原子間的化學(xué)鍵，這就解釋了為什么N2的鍵能很大，而其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)卻很低的困惑。
同一類型微粒間的相互作用還受一定的因素影響，而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。例如，同為鉀型堆積(體心立方晶胞)的堿金屬晶體，其金屬鍵隨堿金屬原子(離子)半徑增大而減弱，因而其熔點(diǎn)和沸點(diǎn)逐漸降低。對于結(jié)構(gòu)和組成相似的分子晶體，其分子間作用力一般隨相對分子質(zhì)量增大而增強(qiáng)，因而鹵素的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)逐漸升高，這一變化結(jié)論與堿金屬正好相反。
化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是粒子的分合重組，物質(zhì)一旦發(fā)生了化學(xué)變化，其微觀結(jié)構(gòu)及至微觀組成就改變了，微觀粒子的相互作用也就改變了，這種微觀組成、結(jié)構(gòu)、微粒間相互作用的方式等的改變決定了化學(xué)反應(yīng)是從環(huán)境中吸收能量，還是往環(huán)境中釋放能量。
化學(xué)鍵與化學(xué)反應(yīng)中能量變化的關(guān)系如下：
因此，可通過鍵能估算反應(yīng)熱，也可由反應(yīng)熱推算鍵能。
一定條件下宏觀物質(zhì)體系的能量是一定的，正是由于該條件下微觀組成、結(jié)構(gòu)、微粒間相互作用一定，化學(xué)反應(yīng)中的能量變化，也反映了反應(yīng)前后物質(zhì)體系總能量(焓)高低變化：
核裂變和核聚變，則反映了原子核內(nèi)部微粒作用力變化引起的能量變化。
分子的構(gòu)成不僅有特定的原子和化學(xué)鍵，鍵角參數(shù)還決定了分子的幾何結(jié)構(gòu)，因此多原子分子具有豐富多樣的空間構(gòu)型。如：
普遍存在的有機(jī)分子異構(gòu)現(xiàn)象(包括構(gòu)造異構(gòu)、立體異構(gòu)、對映異構(gòu))更是充分展示了分子空間構(gòu)型的多樣性和豐富性。
規(guī)則的晶體外觀實(shí)際上是其內(nèi)部微觀粒子有序排列的宏觀表現(xiàn)，人們借用晶胞概念描述晶體內(nèi)部微觀粒子的空間分布。例如：
在由無方向的金屬鍵力、離子鍵力和范德華力等結(jié)合的晶體中，原子、離子和分子等微粒總是趨向于相互配位數(shù)高，能充分利用空間的堆積密度大的那些結(jié)構(gòu)，從而可使體系的勢能盡可能降低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。晶體結(jié)構(gòu)的密堆積原理揭示了晶體內(nèi)部微觀粒子的空間分布與體系穩(wěn)定性的關(guān)系。
聯(lián)系客服
