物質探索簡史(十二)原子如何組成凝聚態物質

通過上一篇我們知道原子可以依靠量子力學規律組成各式各樣的分子。回顧一下食鹽溶於水的那張圖,我們發現沒有水的時候,鈉離子(Na+)和氯離子(Cl-)可以在空間上依據這種幾何結構無限地排列下去,這就形成了固體。食鹽由於是鈉離子和氯離子排列而成,故稱為離子晶體。這是原子直接組成固體的一種方式。

當然分子也可以組成固體。拿我們都很熟悉的水來說,水分子也有氣,固,液三種狀態。固態的水就是冰,而液態的水就是水蒸氣。我們都知道氣,固,液三態和溫度有關。水分子在0攝氏度以下是固態,100攝氏度以上是氣態,0-100度之間是液態。攝氏溫度就是靠水轉變溫度來確定的。

溫度代表原子或分子的平均動能。運動越劇烈,彼此之間越不容易通過靜電力來連接,因此氣態物質的原子或分子運動比較劇烈,液態物質次之,固態物質最不劇烈,所以原子們和分子們能連接在一起成為固體。

溫度的最小值稱為絕對零度,用攝氏溫度來表示就是-273.15攝氏度。這個時候原子或分子的平均動能為零,即它們之間停止了相對運動。絕對零度是溫度的下限,不可能有比絕對零度更低的溫度,因為原子或分子的動能不能為負值。

1、氣態。氣態分子由於溫度較高,運動很劇烈,彼此之間由於碰撞相距較遠。不管容器的空間有多大,氣體分子都可以充滿整個容器。所以,氣體既無一定的形狀,又無一定的體積。

在各種各樣的氣體中,只有惰性原子,即氦(He),氖(Ne),氬(Ar)那一族的原子是單原子氣體。其它的原子因為有沒有排滿的電子,化學性質活潑,往往兩兩通過共價鍵化合成分子,因此他們的氣體的最小單元是分子。如氧氣由氧分子(O2)組成,氫氣由氫分子(H2)組成,氮氣由氮分子(N2)組成。

2、液態。液體分子可在一定的距離內自由移動,分子間的靜電吸引作用較大,能使分子之間保持較近的距離。液態物質具有一定的體積,但無固定的形狀,其形狀取決於容納它的容器的形狀。

物質從氣態轉變到液態(或者反過來)的溫度成為沸點。如水的沸點就是100攝氏度。一般常溫下氣態的物質沸點都很低,有一些甚至都接近絕對零度,如液氦等。原子或分子間吸引作用越強,往往沸點溫度越高。如前面我們知道水分子是電極性分子,它的沸點比那些非極性分子的氣體,如氫氣和氧氣等都要高。而那些極性更強的原子或分子,如那些離子晶體,他們的沸點往往要成百上千攝氏度。

3、固態。固態內分子(或原子)只能在確定的平衡位置附近振動。由於分子間的作用力很強,固體不但可以抵抗體積的改變,還可以抵抗形狀的改變。物質從液態轉變到固態(或者反過來)的溫度成為溶點。如水的溶點就是零攝氏度。一般常溫下固態的物質熔點都比較高。常溫下的固態物質非常多,如各種金屬,玻璃,石頭等等。

石頭的成分很複雜,裡面包含很多種物質。但地球的岩石中成分最多的是石英,即二氧化硅(SiO2)。二氧化硅是一種離子晶體,經過冶煉提純可以得到石英玻璃。普通的玻璃混合了二氧化硅以外的其它離子晶體氧化物。石灰是碳酸鈣晶體(CaCO3)。鐵礦石是鐵的氧化物,如氧化鐵(Fe2O3),四氧化三鐵(Fe3O4)等。因為四氧化三鐵有較強的磁性,也稱為磁石。最早的指南針就是用磁石製成的。石頭中還充滿了其它金屬的氧化物,總的來說都算是離子晶體。

除了離子晶體外,還有一種晶體,每個原子對電子的吸引都很強,因此原子間形成共價鍵。這種晶體成為共價晶體。由於共價鍵一般比離子鍵要強,因此共價晶體異常堅硬。如金剛石(鑽石)等等。離子晶體和共價晶體可以看做是原子直接化合形成的週期結構。當他們溫度升高,成為氣態時,往往整個結構都會發生變化。在極高溫情況下離子晶體會變成一個個電中性的分子。

金屬是一種更有趣的狀態。金屬原子們往往最外層只有1-3個電子。由於原子核的吸引力較弱,它們的最外層電子異常活潑,甚至可以在原子間自由穿梭。金屬的良好的導電性和導熱性就是這些自由電子引起的。同時金屬的原子間主要靠這些自由電子來連接,因此具有很好的韌性。

固體和液體統稱為「凝聚態」物質。原因就是他們靠靜電吸引作用相互凝聚集在一起。我們知道靜電力(庫侖力)和原子或分子間的距離的平方成反比,而固體中原子或分子間的距離比氣體和液體小。所以同樣多的原子或分子,在成為固態或液態的時候,體積要遠遠小於成為氣態的時候。凝聚態物質具有多姿多彩的電學性質,磁學性質和光學性質。

按電學性質區分,凝聚態物質可分為導體,半導體,和絕緣體等。半導體為我們帶來了信息革命。如今最引人入勝的是超導體,它可能決定了人類兩大夢想「可控核聚變和量子計算」的未來(可控核聚變和量子計算(上),可控核聚變和量子計算(中),可控核聚變和量子計算(下))。按磁學性質區分,凝聚態物質可分為順磁體,反磁體等。超導體本身具有很強的抗磁性。

按光學性質區分的話,凝聚態物質種類繁多。週期性結構比較好的晶體一般都具有很好的透光效果,如水晶,寶石和玻璃等。而金屬,木頭等本身沒有固定晶格結構的凝聚態物質往往不透光。以上只是對於可見光而言。對於波長更小的光,如X射線和伽馬射線,幾乎能很容易地穿過低密度的凝聚態物質。這就是為什麼防範X射線和伽馬射線需要很厚的鉛板做成的牆壁,因為鉛是地球上密度最大的沒有放射性的固體。

有一種很特殊的凝聚態物質,介於固態和液態之間,稱之為液晶。液晶實際上是較大的電極性分子。通過外加電壓可以改變液晶分子的方向,從而改變光線透過液晶之後的光強。這就是液晶顯示器的原理。

下一篇我們將介紹相同原子組成不同凝聚態物質結構的「同素異構體」。

系列往期回顧:

物質探索簡史(十一)原子如何組成分子

物質探索簡史(十)核外電子決定元素週期律

物質探索簡史(九)深入原子內部

物質探索簡史(八)發現原子

物質探索簡史(七)近代原子論

物質探索簡史(六)身邊的元素

物質探索簡史(五)元素週期表

物質探索簡史(四)近代化學的誕生

物質探索簡史(三)煉丹術vs鍊金術

物質探索簡史(二)元氣說vs原子論

物質探索簡史(一)五行vs四元素

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