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是什么力量把原子“拴”在一起成为分子的?

我们的身体和周围千千万万种物质大多是由分子组成的,而分子又是由一百来种元素的原子组成的。可是,原子又是怎么来的?它又是如何形成分子的呢?

大约138亿年前,一场大爆炸产生了今天的宇宙。大爆炸后最初形成的元素主要是氢和(大约3:1)。在大约3亿年之后,物质凝聚,开始形成恒星。恒星内部的高温高压触发热核反应,合成了更重的元素,比如。而比更重的元素,则是在超新星爆发时的剧烈条件下产生的。

这样经过几亿到几十亿年的演化,宇宙中形成了从氢到钚的94种元素。如果故事就到此为止,每个原子里面的电子只围绕着自己的原子核旋转,原子之间彼此不相干,那就太“可惜”了。因为这样一来,这个世界上就只有原子而没有分子,更不会有万物和生命。这样的世界会是多么单调乏味啊!幸运的是,原子之间的电子转移和共享,使得分子的形成成为可能,使得五彩缤纷的世界成为现实。

要知道原子之间为什么会发生电子转移和共享,就要从原子中电子的运动情况说起。在原子中,电子围绕带正电的原子核旋转。这和卫星因重力作用围绕地球运转的情形差不多。但卫星轨道的高度是连续可变的,卫星之间几乎没有相互作用,各自独立运行。而在原子中,许多电子挤在那么小的空间里,电子带负电,彼此之间必然会有相互作用。要维持原子里面的“秩序”,电子的运动必须遵守严格的规则。那就是电子必须沿着一定的轨道运行,每个轨道只能容纳2个电子。而且这些轨道是分层排布的,电子总是从能量最低的内层轨道开始排起。这种排布方式的后果就是,最外层最多可以有4个轨道,也就是最多容纳8个电子。

如果最外层的所有轨道都被电子填满,原子就像盖了一床完整的被子,最为“舒服”。它们对别的原子“不屑一顾”,只以单原子状态稳定地存在。如果原子都是这样,那就不会有分子,也不会有你我了。好在这样的元素不多,只有6种,那就是,我们把它们叫作惰性元素。

在大多数元素的原子中,最外层的轨道都没有填满。这就像原子盖了一床破烂的被子,感到“不舒服”,想方设法也要有一床完整的被子。

一种办法是电子转移。当最外层电子的数量只差一两个就满8个时(比如氯原子最外层有7个电子),最简单的办法就是从别的原子中“抓”来电子。这相当于拿“别人”被子上的材料来补自己被子上的洞。而当最外层电子的数量很少时(比如钠只有1个),那就相当于只有一些布块,根本不是被子。更好的办法是干脆把这少数几个电子“扔掉”,反正里面还有完整的衣服(内层电子)。这样一个“想要”,一个“愿给”,电子就从一种原子转移到另一种原子。给出电子的原子带正电,得到电子的原子带负电,彼此依靠电荷的吸引力“拴”到一起。像氯化钠(食盐)就是这样形成的。

最外层电子要凑够8个还有一种办法,那就是电子共享。你出一个电子,我出一个电子,大家共用,相当于两个原子各自都增加了一个电子。这两个电子同时围绕两个原子核旋转,就把两个原子“拴”在一起了。这就像两个原子把它们不完整的被子拼成一条完整的被子,共同使用。这种共享可发生于同类原子之间,比如两个原子通过共享两对电子形成分子(O2);也可发生于不同的原子之间,比如一个原子和两个氢原子共享电子,就形成了水分子(H2O)。许多分子,包括我们身体里的生物大分子,如蛋白质和核酸,都是靠电子共享形成的。

因此,分子的形成,是原子之间外层电子转移和共享的结果。这虽然只动了原子的“皮毛”,却是世界上各种物质形成的基础,也使得生命的出现成为可能。