石凱峰

一、什么是分子

據(jù)說有一天，古希臘學(xué)者德謨克利特從地上抓起一塊泥土，對他的學(xué)生說：“我發(fā)現(xiàn)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(xì)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(xì)末.但是，我們應(yīng)該想到，只要有合適的工具，便能把它們分割成更小的細(xì)微粒.而且這些被分割出來的細(xì)末可以被分割成更微小的微粒.現(xiàn)在若問我能不能沒完沒了地分割下去，我的回答是不能！因?yàn)檫t早我們會(huì)得到一個(gè)不可再行分割的泥土微粒，我給他取名為原子.”

當(dāng)看到學(xué)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(yuǎn)處那片樹林了嗎？由這里望去，像是一堵密不透風(fēng)的綠墻，當(dāng)走進(jìn)一看，穿過它并不費(fèi)事，它表面上是一堵堅(jiān)硬的綠墻.其實(shí)是樹干和枝葉編織成的疏網(wǎng)……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(gòu)成.原子不能消失，但也不會(huì)無中生有.”

盡管當(dāng)年的這種見解缺少科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，但后來的歷史發(fā)展表明，他的思維閃爍著真理的火花.

1811年，意大利科學(xué)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(gè)原子相結(jié)合的分子構(gòu)成的.例如，氫氣是由氫分子構(gòu)成的（如圖1），水是由水分子構(gòu)成的（如圖2）.

按照現(xiàn)代科學(xué)的認(rèn)識水平，我們認(rèn)為所有物質(zhì)都是由分子、原子構(gòu)成，分子是組成物質(zhì)的保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小單元.如果把分子再細(xì)分時(shí)，原有物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)就消失了.

現(xiàn)在請同學(xué)們思考下面這個(gè)問題：

例1 有同學(xué)認(rèn)為，分子是構(gòu)成物質(zhì)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(gè)氫原子組成的，水分子是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成，只是如果把分子再分開，那么它的化學(xué)性質(zhì)就發(fā)生了變化.所以說分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，但是分子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒.

二、分子的大小

科學(xué)探究發(fā)現(xiàn)，分子非常小，一般分子的直徑的數(shù)量級約為10-10m.例如，水分子的直徑約為4×10-10m，如果2500萬個(gè)水分子一個(gè)挨一個(gè)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1cm3的任何氣體約有2.7×1019個(gè)分子，讓這些氣體分子從容器中跑出，如果每秒跑出1億個(gè)，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(xué)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(guī)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(jié)，請同學(xué)們完成下列選擇.

例2 下列說法中正確的是（ ）.

A.空氣中細(xì)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(gè)個(gè)小分子

C.把一塊銅塊銼成極細(xì)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(jìn)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(zhì)量約為5×10-7g，一個(gè)分子的質(zhì)量數(shù)量級約為2×10-27kg，那么一粒灰塵約含有2.5×1017個(gè)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(gè)個(gè)小分子，是許許多多的水分子結(jié)合在一塊的結(jié)果，故B不正確.極細(xì)的銅屑不是銅分子，是許多銅原子結(jié)合在一起的結(jié)果，故C不正確.分子的質(zhì)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(zhì)分子處于永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

物質(zhì)分子都在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng).分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和物體的整體運(yùn)動(dòng)是性質(zhì)不同的兩種運(yùn)動(dòng)，后者是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而前者是分子的熱運(yùn)動(dòng).

分子熱運(yùn)動(dòng)的典型表現(xiàn)是布朗運(yùn)動(dòng).1827年，蘇格蘭植物學(xué)家R·布朗發(fā)現(xiàn)水中的花粉及其他懸浮的微小顆粒不停地做不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)，稱為布朗運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng).如圖5所示.這是因?yàn)樵陲@微鏡下看起來連成一片的液體，實(shí)際上是由許許多多分子組成的.液體分子不停地做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，不斷地隨機(jī)撞擊懸浮微粒.當(dāng)懸浮的微粒足夠小時(shí)，受到的來自各個(gè)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(gè)方向受到的撞擊作用強(qiáng)，致使微粒又向其他方向運(yùn)動(dòng).這樣，就引起了微粒的無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng).

分子的熱運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)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(gè)房間，這是香水分子熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散.

擴(kuò)散現(xiàn)象不僅存在氣體中，液體和固體中也有擴(kuò)散.在兩個(gè)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?dāng)U散的速度更快（圖6）.這表明分子運(yùn)動(dòng)的快慢與溫度有關(guān).

將表面平滑的鉛塊和金塊緊壓在一起，經(jīng)過較長的時(shí)間，我們可以在鉛的表面層發(fā)現(xiàn)金的成分（圖7）.這是固體的擴(kuò)散現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)還表明，和擴(kuò)散現(xiàn)象一樣，布朗運(yùn)動(dòng)也隨著溫度的升高而愈加劇烈.這表明分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)跟溫度有關(guān)，溫度越高，分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越劇烈.因此，可以說溫度是物質(zhì)內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)激烈程度的標(biāo)志，這也是我們把分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為熱運(yùn)動(dòng)的原因.

閱讀了上述材料后，請同學(xué)們完成下列幾道選擇題.

例3 下列現(xiàn)象中不能用分子熱運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋的是（ ）.

A.桂花開時(shí)，滿院飄香

B.金塊和鉛塊緊壓在一起，過幾年后會(huì)發(fā)現(xiàn)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(huì)越變越小

解析 要解答此題，首先要知道擴(kuò)散現(xiàn)象可以用分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)來解釋.

聞到氣味、物質(zhì)間的相互滲透、物質(zhì)的升華都是分子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，所以A、B、D三個(gè)選項(xiàng)正確.塵土飛揚(yáng)是灰塵的一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不能用分子運(yùn)動(dòng)來解釋.故本題應(yīng)選C.

例4 我們在實(shí)驗(yàn)室用酒精進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室很快就聞到了刺鼻的酒精氣味，這是一種擴(kuò)散現(xiàn)象.以下有關(guān)分析錯(cuò)誤的是（ ）.

A.擴(kuò)散現(xiàn)象只發(fā)生在氣體、液體之間

B.擴(kuò)散現(xiàn)象說明分子在不停息地運(yùn)動(dòng)

C.溫度越高時(shí)擴(kuò)散現(xiàn)象越劇烈

D.擴(kuò)散現(xiàn)象說明分子間存在著間隙

解析 擴(kuò)散現(xiàn)象表示分子在不停地運(yùn)動(dòng)，溫度越高，擴(kuò)散得越快，表示分子運(yùn)動(dòng)越劇烈.

固體也有擴(kuò)散現(xiàn)象，例如，墻角處長時(shí)間堆放煤，則在墻壁里也會(huì)有煤出現(xiàn)，這是一種固體間的擴(kuò)散現(xiàn)象，表明固體分子也是運(yùn)動(dòng)的，故A不正確；擴(kuò)散現(xiàn)象的原因就是分子在不停地運(yùn)動(dòng)，溫度越高，擴(kuò)散得越快，表示分子運(yùn)動(dòng)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(zhì)才能夠相互進(jìn)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(guān)于布朗運(yùn)動(dòng)的說法中，正確的是（ ）.

A.布朗運(yùn)動(dòng)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(guī)則運(yùn)動(dòng)

B.布朗運(yùn)動(dòng)是指在顯微鏡下觀察到的懸浮固體顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)

C.布朗運(yùn)動(dòng)是指液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)

D.布朗運(yùn)動(dòng)是指在顯微鏡下直接觀察到的液體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)

解析 布朗運(yùn)動(dòng)是懸浮微粒不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，反應(yīng)的不是微粒運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性，而是分子運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性.

布朗運(yùn)動(dòng)是指懸浮顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不是懸浮顆粒的固體分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，也不是液體分子的運(yùn)動(dòng)，所以A、C選項(xiàng)錯(cuò)誤；分子是不可能用一般顯微鏡直接看到的，所以D選項(xiàng)也是錯(cuò)誤的.因此本題選B.