1.3.5 物质的构成方式

本节需要读者稍微熟悉气体(Gas),液体(Liquid),固体(Solid)的知识。


有3种粒子可以构成物质:分子,离子,和原子。此外,金属,聚合物和共价网络固体有其独特的构成方法。


1、由离子构成的物质(离子化合物)

如果物质由离子构成,物质内部一定存在离子键。与分子一样,由离子构成的物质也可以写出其化学式,具体为将组成该物质的离子列出,阳离子(带有正电的离子)写在前面,阴离子(带有负电的离子)写在后面,按照个数比例添加下标。

常见的由离子构成的物质有:NaCl(氯化钠,食盐的主要成分),NaOH(氢氧化钠),NaHCO3(碳酸氢钠,小苏打的主要成分),CaCl2(氯化钙,一种干燥剂),K3PO4(磷酸钾,一种肥料)。

在由离子构成的物质中,各离子紧密排列,阴离子和阳离子通过离子键结合。下图为NaCl的结构片段:图片来源


  • 思考1:猜测KOH和MgSO4的名称(可能需要参考1.3.2节的离子名称)


由离子构成的物质称作离子化合物(Ionic compound)。


2、由分子构成的物质(共价化合物和共价单质)

在1.3.1节中提到,有些物质由分子构成,在这些物质中不存在离子键。分子内部的原子通过共价键连接形成分子,两个分子之间不存在任何强键(包括共价键,离子键,金属键),但存在范德华力,有时也可能存在氢键。下图为固态水(冰)的结构片段,请注意连接两个水分子之间的为氢键,而不是共价键。图片来源


由分子构成的化合物称作分子化合物(Molecular compound),或共价化合物,由分子构成的单质称作共价单质。

由于离子键与共价键没有明显的界限,离子化合物与共价化合物也没有明显的界限。比如AlCl3就是同时具有离子化合物和共价化合物特征的化合物。


3、由原子构成的物质

如果物质内部不存在任何强化学键(包括共价键,离子键,金属键),则称物质由原子直接构成,包括稀有气体(He,Ne,Ar...),以及气相的金属。在这些物质中,原子与原子之间仅存在范德华力。


4、金属

(固相和液相的)金属并不由分子,或是离子,或是原子构成。其内部,金属原子紧密排列并电离出电子,金属原子之间通过金属键结合。下图为金属钠的结构示意图。图片来源


  • 注:国内初中教材会认为金属由原子构成,但是金属的原子与原子之间的相互作用(金属键)要明显强于稀有气体。


5、聚合物(Polymer)

聚合物由许多相对分子质量非常大的分子(高分子)构成。每一个高分子由许多相同(或相似)的分子片段通过共价键连接而成,其相对分子质量在10000以上。常见的聚合物包括聚乙烯(塑料袋的主要成分),聚酯纤维(涤纶),尼龙,蛋白质,DNA,核酸。


6、共价网络固体(Covalent network solid)

在共价网络固体中,原子通过共价键结合在一起,形成连接整个材料的连续网络。在共价网络固体中,没有单独的分子,或者说,整个共价网络固体材料就是一个分子。常见的共价网络固体包括金刚石(钻石的主要成分),石墨,BN(氮化硼,用作金属磨料),石英,玻璃,充分交联的橡胶。下图为金刚石的结构片段。图片来源

  • 注:有人将“共价网络固体”翻译成“原子晶体”,但这个翻译不准确,因为共价网络固体并不一定是晶体,比如玻璃。
  • 注:国内初中教材会认为共价网络固体也由原子构成,但是金刚石和稀有气体的不同点实在是太多了。


有一些物质会表现出介于2种分类之间的性质。比如未交联的橡胶属于聚合物,而充分交联的橡胶结构与性质上会更接近共价网络固体。再比如Al与Cl的电负性相差1.55,接近区分共价键与离子键的分界点1.7,从而导致AlCl3(氯化铝)为具有一定离子化合物性质的共价网络固体。


  • 思考2:从以上6类物质中的每一类各挑选一种物质,搜索其结构图,查看其组成方法。


施陶丁格:发现聚合物,并确定聚合物的结构