認識分子

石凱峰

一、什么是分子

據說有一天，古希臘學者德謨克利特從地上抓起一塊泥土，對他的學生說：“我發現偉大的原理就隱藏在我手里這塊天然的泥土中.”他把泥土弄成細末，并說道：“由于我的手指太粗糙，所以無法把泥土粉末弄成細末.但是，我們應該想到，只要有合適的工具，便能把它們分割成更小的細微粒.而且這些被分割出來的細末可以被分割成更微小的微粒.現在若問我能不能沒完沒了地分割下去，我的回答是不能！因為遲早我們會得到一個不可再行分割的泥土微粒，我給他取名為原子.”

當看到學生們的驚奇目光后，他又說道：“你們覺得很難接受，是不是？你們看見遠處那片樹林了嗎？由這里望去，像是一堵密不透風的綠墻，當走進一看，穿過它并不費事，它表面上是一堵堅硬的綠墻.其實是樹干和枝葉編織成的疏網……正像綠墻是由樹干和枝葉組成似的，大自然的萬物都是由看不見的微小粒子——原子構成.原子不能消失，但也不會無中生有.”

盡管當年的這種見解缺少科學實驗的基礎，但后來的歷史發展表明，他的思維閃爍著真理的火花.

1811年，意大利科學家阿伏伽德羅指出，不管是化合物還是元素，它們一般都不是直接由不可分的原子組成，而是由幾個原子相結合的分子構成的.例如，氫氣是由氫分子構成的（如圖1），水是由水分子構成的（如圖2）.

按照現代科學的認識水平，我們認為所有物質都是由分子、原子構成，分子是組成物質的保持物質化學性質的最小單元.如果把分子再細分時，原有物質的化學性質就消失了.

現在請同學們思考下面這個問題：

例1 有同學認為，分子是構成物質的最小微粒，分子不可以再分，這種說法正確嗎？

解析 這種說法是不正確的.分子還可以再分，例如從上面兩張圖中可以看到，氫分子是兩個氫原子組成的，水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組成，只是如果把分子再分開，那么它的化學性質就發生了變化.所以說分子是保持物質化學性質的最小微粒，但是分子并不是構成物質的最小微粒.

二、分子的大小

科學探究發現，分子非常小，一般分子的直徑的數量級約為10-10m.例如，水分子的直徑約為4×10-10m，如果2500萬個水分子一個挨一個地排成一行，它的長度只有1cm左右，若把水分子與乒乓球相比，它們的比例就好像乒乓球與地球之比.氫氣分子的直徑約為2.3×10-10m，在1個標準大氣壓下，1cm3的任何氣體約有2.7×1019個分子，讓這些氣體分子從容器中跑出，如果每秒跑出1億個，約需9000年才能跑完.

分子非常小，用肉眼無法直接看到，但科學家通過顯微鏡能直接觀察到分子.例如，用掃描隧道顯微鏡可以獲得苯分子的圖像（圖3），將硅原子放大三百萬倍，我們可以觀察到硅原子有規則地排列著（圖4）.從圖片中我們還可以看到，分子與分子之間存在著間隙.

閱讀了這一小節，請同學們完成下列選擇.

例2 下列說法中正確的是（ ）.

A.空氣中細小的灰塵就是分子

B.大霧中，我們看到空氣中許多極小的水珠就是一個個小分子

C.把一塊銅塊銼成極細的銅屑就是銅分子

D.由于分子非常小，人們無法直接用肉眼進行觀察

解析 解決本題要知道分子非常小，我們用肉眼無法直接看到.

一粒最微小的灰塵的質量約為5×10-7g，一個分子的質量數量級約為2×10-27kg，那么一粒灰塵約含有2.5×1017個分子，故A不正確.大霧中，我們看到空氣中許多極小的水珠不是一個個小分子，是許許多多的水分子結合在一塊的結果，故B不正確.極細的銅屑不是銅分子，是許多銅原子結合在一起的結果，故C不正確.分子的質量和體積都非常小，我們無法用肉眼直接看到，故D正確.

三、物質分子處于永不停息的無規則運動狀態

物質分子都在不停地做無規則運動.分子的無規則運動和物體的整體運動是性質不同的兩種運動，后者是機械運動，而前者是分子的熱運動.

分子熱運動的典型表現是布朗運動.1827年，蘇格蘭植物學家R·布朗發現水中的花粉及其他懸浮的微小顆粒不停地做不規則的曲線運動，稱為布朗運動，例如，把少量墨汁用水稀釋，取一滴這樣的液體放在顯微鏡下觀察，就可以看到碳粒的布朗運動.如圖5所示.這是因為在顯微鏡下看起來連成一片的液體，實際上是由許許多多分子組成的.液體分子不停地做無規則的運動，不斷地隨機撞擊懸浮微粒.當懸浮的微粒足夠小時，受到的來自各個方向的液體分子的撞擊作用是不平衡的.在某一瞬間，微粒在另一個方向受到的撞擊作用強，致使微粒又向其他方向運動.這樣，就引起了微粒的無規則的布朗運動.

分子的熱運動的表現是多方面的.我們打開香水瓶蓋，芬芳的氣味撲鼻而來，并溢滿整個房間，這是香水分子熱運動的結果.這種現象稱為擴散.

擴散現象不僅存在氣體中，液體和固體中也有擴散.在兩個燒杯中放入溫度不同的冷水和熱水，分別滴入一滴紅墨水，我們可以看到，在熱水中的紅墨水擴散的速度更快（圖6）.這表明分子運動的快慢與溫度有關.

將表面平滑的鉛塊和金塊緊壓在一起，經過較長的時間，我們可以在鉛的表面層發現金的成分（圖7）.這是固體的擴散現象.

實驗還表明，和擴散現象一樣，布朗運動也隨著溫度的升高而愈加劇烈.這表明分子的無規則運動跟溫度有關，溫度越高，分子的無規則運動就越劇烈.因此，可以說溫度是物質內部分子無規則運動激烈程度的標志，這也是我們把分子的無規則運動稱為熱運動的原因.

閱讀了上述材料后，請同學們完成下列幾道選擇題.

例3 下列現象中不能用分子熱運動的觀點解釋的是（ ）.

A.桂花開時，滿院飄香

B.金塊和鉛塊緊壓在一起，過幾年后會發現鉛中有金，金中有鉛

C.沙塵暴起，塵土滿天

D.衣櫥里的樟腦球會越變越小

解析 要解答此題，首先要知道擴散現象可以用分子運動的觀點來解釋.

聞到氣味、物質間的相互滲透、物質的升華都是分子運動的結果，所以A、B、D三個選項正確.塵土飛揚是灰塵的一種機械運動，不能用分子運動來解釋.故本題應選C.

例4 我們在實驗室用酒精進行實驗時，整個實驗室很快就聞到了刺鼻的酒精氣味，這是一種擴散現象.以下有關分析錯誤的是（ ）.

A.擴散現象只發生在氣體、液體之間

B.擴散現象說明分子在不停息地運動

C.溫度越高時擴散現象越劇烈

D.擴散現象說明分子間存在著間隙

解析 擴散現象表示分子在不停地運動，溫度越高，擴散得越快，表示分子運動越劇烈.

固體也有擴散現象，例如，墻角處長時間堆放煤，則在墻壁里也會有煤出現，這是一種固體間的擴散現象，表明固體分子也是運動的，故A不正確；擴散現象的原因就是分子在不停地運動，溫度越高，擴散得越快，表示分子運動越劇烈.所以B、C兩種說法是正確的；只有分子之間存在著間隙，物質才能夠相互進入對方，所以D這種說法也是正確的.故本題選A.

例5 下列關于布朗運動的說法中，正確的是（ ）.

A.布朗運動是指在顯微鏡下觀察到的組成懸浮顆粒的固體分子的無規則運動

B.布朗運動是指在顯微鏡下觀察到的懸浮固體顆粒的無規則運動

C.布朗運動是指液體分子的無規則運動

D.布朗運動是指在顯微鏡下直接觀察到的液體分子的無規則運動

解析 布朗運動是懸浮微粒不停地做無規則運動的現象，反應的不是微粒運動的無規則性，而是分子運動的無規則性.

布朗運動是指懸浮顆粒的無規則運動，不是懸浮顆粒的固體分子的無規則運動，也不是液體分子的運動，所以A、C選項錯誤；分子是不可能用一般顯微鏡直接看到的，所以D選項也是錯誤的.因此本題選B.