一維二維三維:原子的結合與化學鍵

我們都有這樣的經驗與認識：能結合在一起的對象之間都具有較強的作用力。太陽系是個整體，從未破裂，那是因為行星與太陽之間有強烈的引力：磁鐵與鐵塊吸附在一起，那是因為有磁力。原子結合成分子也是這樣，分子內的原子之間存在強烈的相互作用。古希臘哲學家認為，原子都是帶鉤子的球體，原子和原子相遇時，發生鉤連，從而牢固地結合。這是基于生活經驗的假設，是對既有事實的樸素解釋。

現在我們把原子之間強烈的相互作用稱為化學鍵，也就是說，原子是靠化學鍵相互結合在一起的。如果是陰、陽離子形成的化學鍵就稱為離子鍵，如我們熟悉的食鹽氯化鈉(NaCl)、生石灰氧化鈣(CaO)等：如果是原子則以共價鍵結合，如我們熟悉的水(H₂O)、二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄，沼氣的主要成分)等。

在所有的元素原子中，碳原子可以形成的化學鍵幾乎最多，也差不多最牢固。有了這樣的認識，也就能夠推測：含有碳元素的物質種類最多，其分子結構也最為復雜。事實正是如此，現在我們知道，所有的有機物都含有碳元素。世界上的物質95％是有機物(來自于動植物)，5％是無機物(來自于礦物)。俗話說：開門七件事，柴米油鹽醬醋茶。這七種物質中除鹽之外，其他物質的主要成分都是有機物。

每個碳原子可以形成4個化學鍵，而且碳原子之間可以形成牢固的鏈狀。這兩個重要的結論都是由德國著名的化學家凱庫勒提出的。如果只考慮碳鏈，并認為碳鏈是直線形，這就是一維結構。最初，化學家認為最簡單的有機物甲烷是平面正方形結構f碳原子處于中心，4個氫原子處于4個頂點)，這就是二維結構。后來，很多新發現的有機物及其性質都不能用二維結構來解釋，進而引入合理的三維結構，就成功地解釋了原來無法解釋的有機物。

常見的多原子直線形分子有二氧化碳(CO₂)、乙炔(C₂H₂)等。

最著名的平面形分子是苯，苯的分子式是C₆H₆，分子結構見本刊2010年7—8月號第91頁。最著名的三維結構是甲烷的正四面體分子結構，如圖1。荷蘭化學家范霍夫(如圖2)于1874年提出的碳鍵的正四面體結構學說成功地解釋了有機物的旋光異構現象，也解釋了二氯甲烷沒有異構體的事實。現在，從最簡單的甲烷分子到最復雜的蛋白質分子，如果要對它們進行結構分析，都離不開碳鍵的正四面體構型這一概念。范霍夫因其巨大貢獻獲得1901年首屆諾貝爾化學獎。后來，美國著名化學家鮑林(圖3)用雜化軌道理論解釋了碳鍵四面體構型的成因。

在化學中，二維結構與三維結構的完美結合是足球烯C₆₀結構，如圖4。C₆₀中60個碳原子形成32個面，合攏成球體，其中12個為正五邊形，20個為正六邊形，由于形似足球，故被發現者命名為足球烯。