WEBVTT

00:00:07.270 --> 00:00:09.497
分子是什么形状？

00:00:09.497 --> 00:00:12.167
分子内部大部分都是空的。

00:00:12.167 --> 00:00:14.001
几乎所有的质量都集中在

00:00:14.001 --> 00:00:17.368
原子极其致密的核上。

00:00:17.368 --> 00:00:18.307
而它的电子，

00:00:18.307 --> 00:00:19.790
则决定原子之间

00:00:19.790 --> 00:00:21.024
如何相互结合，

00:00:21.024 --> 00:00:23.307
它们比较像带负电荷的云，

00:00:23.307 --> 00:00:25.584
而不是一颗颗单独的粒子。

00:00:25.584 --> 00:00:27.394
因此，分子并不像

00:00:27.394 --> 00:00:29.139
雕塑一样

00:00:29.139 --> 00:00:31.006
有着特定的形状。

00:00:31.006 --> 00:00:32.081
但是对于每一个分子

00:00:32.081 --> 00:00:33.456
至少存在一种方式

00:00:33.456 --> 00:00:35.511
排列原子核和电子，

00:00:35.511 --> 00:00:37.712
使得相异电荷之间的

00:00:37.712 --> 00:00:38.850
吸引力最大化，

00:00:38.850 --> 00:00:40.386
相同电荷之间的排斥力

00:00:40.386 --> 00:00:42.599
最小化。

00:00:42.599 --> 00:00:44.347
现在我们假设唯一与分子形状

00:00:44.347 --> 00:00:45.891
有关的电子

00:00:45.891 --> 00:00:48.808
是每个原子最外层上的电子。

00:00:49.454 --> 00:00:50.504
同时我们也假设

00:00:50.504 --> 00:00:52.893
在原子之间的电子云，

00:00:52.893 --> 00:00:54.561
也就是分子键，

00:00:54.561 --> 00:00:57.469
形状像一根香肠。

00:00:57.469 --> 00:01:00.289
记住原子核是带有正电荷的，

00:01:00.289 --> 00:01:02.245
而电子是带负电的，

00:01:02.245 --> 00:01:03.731
而且如果所有分子的核

00:01:03.731 --> 00:01:04.821
都堆积到了一起，

00:01:04.821 --> 00:01:06.989
或者它所有的电子都堆积到了一起，

00:01:06.989 --> 00:01:09.233
它们会相互排斥并且飞散，

00:01:09.233 --> 00:01:11.005
那就没什么用了。

00:01:11.451 --> 00:01:14.103
1776年，亚历山德罗·伏打

00:01:14.103 --> 00:01:16.599
在他发明电池数十年前

00:01:16.599 --> 00:01:18.263
发现了甲烷。

00:01:18.263 --> 00:01:22.133
甲烷的化学式是CH4。

00:01:22.133 --> 00:01:23.126
这个化学式告诉我们

00:01:23.126 --> 00:01:24.800
每个甲烷分子

00:01:24.800 --> 00:01:28.442
都是由一个碳原子和四个氢原子构成的，

00:01:28.442 --> 00:01:31.139
但是它并没有告诉我们
哪个原子与哪个原子连在一起，

00:01:31.139 --> 00:01:34.532
或者在三维空间中这些原子是如何排列的。

00:01:34.532 --> 00:01:36.212
从它们的电子排布中

00:01:36.212 --> 00:01:37.706
我们知道碳原子能与

00:01:37.706 --> 00:01:39.531
其他四个原子相连，

00:01:39.531 --> 00:01:41.576
而且每个氢原子只能与

00:01:41.576 --> 00:01:43.034
一个原子相连。

00:01:43.034 --> 00:01:44.402
因此我们能够猜测

00:01:44.402 --> 00:01:46.288
碳原子应该是中心原子，

00:01:46.288 --> 00:01:48.906
与所有的氢原子相连。

00:01:48.906 --> 00:01:50.040
现在，每个键代表

00:01:50.040 --> 00:01:51.658
共用两个电子，

00:01:51.658 --> 00:01:54.570
我们用一条线表示一对共用电子。

00:01:54.570 --> 00:01:56.801
于是，我们现在得到了这个原子的

00:01:56.801 --> 00:01:58.264
平面示意图，

00:01:58.264 --> 00:02:00.826
但是在三维空间中它看起来是什么样的？

00:02:00.826 --> 00:02:01.807
我们能够合理地说

00:02:01.807 --> 00:02:03.269
因为每个键都是

00:02:03.269 --> 00:02:05.595
一个带负电的区域，

00:02:05.595 --> 00:02:07.403
同性互斥，

00:02:07.403 --> 00:02:09.569
最可能的原子构型

00:02:09.569 --> 00:02:12.330
应该使得键与键之间的距离最大。

00:02:12.330 --> 00:02:13.743
而要使得所有的键之间的

00:02:13.743 --> 00:02:16.071
距离尽可能地远，

00:02:16.071 --> 00:02:18.512
最合适的形状是这样子的。

00:02:18.512 --> 00:02:20.858
这叫做四面体。

00:02:20.858 --> 00:02:22.901
根据不同的原子，

00:02:22.901 --> 00:02:25.323
你可以得到很多种不同的形状。

00:02:25.323 --> 00:02:28.299
氨，NH3，是金字塔形。

00:02:28.299 --> 00:02:31.122
二氧化碳，CO2，是直线形。

00:02:31.122 --> 00:02:34.548
水，H2O，像弯折的手臂。

00:02:34.548 --> 00:02:37.129
而三氟化氯，ClF3，

00:02:37.129 --> 00:02:39.215
形状像字母T。

00:02:39.215 --> 00:02:40.909
记住，我们现在做的

00:02:40.909 --> 00:02:43.561
是根据我们的原子和电子模型

00:02:43.561 --> 00:02:45.843
建立分子的三维形状。

00:02:45.843 --> 00:02:46.937
我们必须通过做实验

00:02:46.937 --> 00:02:48.138
来确认这些分子的形状

00:02:48.138 --> 00:02:50.489
是否和我们预测的一样。

00:02:50.489 --> 00:02:51.362
剧透一下：

00:02:51.362 --> 00:02:53.784
很多是符合的，但是也有一些与预测不符。

00:02:53.784 --> 00:02:54.938
因为随着原子数目的增加，

00:02:54.938 --> 00:02:57.097
分子的形状变得越来越复杂。

00:02:57.097 --> 00:02:58.574
我们前面提到的所有例子

00:02:58.574 --> 00:03:01.071
只有一个明显的中心原子。

00:03:01.071 --> 00:03:02.325
但是大部分的分子并没有，

00:03:02.325 --> 00:03:03.948
小到药物小分子，

00:03:03.948 --> 00:03:05.374
大到很长的多聚体，

00:03:05.374 --> 00:03:07.743
比如DNA，都没有中心原子。

00:03:07.743 --> 00:03:08.808
最关键的是

00:03:08.808 --> 00:03:10.879
参与连结的原子会自动排列，

00:03:10.879 --> 00:03:13.612
使得异种电荷之间的吸引力达到最大，

00:03:13.612 --> 00:03:16.717
同种电荷之间的排斥力达到最小。

00:03:16.717 --> 00:03:18.969
有些分子甚至有两种或者更多的

00:03:18.969 --> 00:03:20.508
稳定的原子排列方式，

00:03:20.508 --> 00:03:22.470
在不同的构型之间转换，

00:03:22.470 --> 00:03:25.190
我们会看到化学是多么酷炫，

00:03:25.190 --> 00:03:27.306
即使分子的构成，

00:03:27.306 --> 00:03:29.894
即其中原子的数量和种类

00:03:29.894 --> 00:03:32.185
根本没有改变。