化学分子的结构和作用（分子的物理模型在化学中的作用）

与数学、物理学等学科广泛使用概念模型不同，化学学科广泛使用物理模 型，较少使用概念模型。为了说明物理模型在化学中的作用，首先检查如何用物 理模型描述氢气与氧气作用生成水的反应

2H2 O2— 2H2O (2-1)

在原子、分子模型(atomic models and molecular models)被广泛认可、采 纳以前，化学家会根据上述反应中所消耗的氢气和氧气的质量以及生成的水的质 量，得出1份氢气与8份氧气反应生成9份水；或者，水由1份氢气和8份氧气 组成。类似地，双氧水这种也是仅由氢、氧两种元素组成的分子，由1份氢气和 16份氧气组成。

在原子、分子模型被广泛采纳后，化学家得出1个水分子由1 个氧原子和2个氢原子组成，而1个双氧水分子则由2个氧原子和2个氢原子组 成。另外，化学反应中反应物和生成物之间的质量关系，可用简单的算术运算得 到，无需精确的实验测定。事实上，由于反应(2-1)的反应物都是气体，产物 水在沸点温度100°C以上也是气体，用体积表示反应物和产物的定量关系更接近 现代原子论、分子论的描述。在反应(2-1)中，2体积氢气与1体积氧气反应 生成2体积水(在相同温度和压力下)。

从这个简单的化学反应可以发现，如果刻意回避原子、分子模型，即使描述 水的化学组成以及氢气与氧气反应生成水这样的简单化学反应也非常复杂。对蛋 白质、核酸这样复杂的生物分子及其发生的化学反应，刻意回避原子、分子模型 的描述显然是无法实现的。事实上，正是由于多种分子模型的建立和广泛采纳， 为人们认识分子的性质及其分子间的化学反应提供了巨大的便利，促进了化学学 科的迅速发展。

物理模型是人类对自然界客观事物或过程的简化、抽象和近似，是对客观 事物或过程的某个、某些侧面的反映。模型可以是不全面的、不完善的甚至是 不完全正确的。但是，任何模型只要能反映事物的某些属性，有助于人们认识 事物，就是有用的模型。因此，模型的价值不仅在于其正确性、完善性，更在 于其实用性。相反，目前看来正确的、完善的模型，随着人们对事物认识的不 断深人，也可能被发现是不完善的甚至是错误的，但这并不影响人们对该模型 的继续使用。

物理模型并不深奥，在人们日常生活中随处可见。例如，儿时玩过的洋娃 娃、玩具汽车，多是物理模型的实例。通过洋娃娃这个最简单的人体模型，幼小 的我们更加深入地认识了人体的基本结构与功能。中学生理课上，通过更复杂的 人体模型认识了人体的器官与功能等。类似地，通过玩具汽车这个简单的汽车模 型，人们认识了汽车的基本结构与功能。市场上更复杂、高档的电动玩具汽车 等，可以帮助人们更加深入地了解汽车的内部结构与功能，是更复杂的物理 模型。

化学研究的是微小的分子，不但肉眼无法观察，即使电子显微镜也难以直接 观察。只有借助最先进的扫描隧道显微镜，才能直接观察最简单的分子。因此， 分子的物理模型，更是学习和研究化学不可缺少的工具。

在化学教学和研究中，最常用的是球棍模型(ball and stick models)。球棍 模型反映了分子最基本的属性：原子大体上球形对称，化学键把成键原子连接起 来形成分子，原子在分子中的排列次序及其相对位置固定。为了从不同侧面了解 分子的性质或强调分子的不同特性，化学中还常常用到其他类型的分子模型。例 如，比例模型(spacefilling models或CPK molecular models)可以比较精确地 反映分子内不同原子及原子间距离的相对尺寸。近年来，随着个人计算机图形功 能的增强和化学图形软件的日益普及，像带状模型(ribbon models)、管状模型 (tube models),荆棘条模型(licorice models)、线状模型(wireframe models) 等分子模型得到了广泛的应用，增进了人们对分子结构的认识，促进了化学、生 物化学、材料科学等的发展。

随着化学研究的进一步深入，上述各种由不同形状的几何体表示的分子的几 何模型(geometrical models) »已经越来越难满足实际工作的需要。因此，出现 了比几何模型更深入的物理模型。例如，为了理解或解释分子的红外光谱，必须 在分子几何模型的基础上，引入化学键伸缩和键角弯曲的谐振子模型或其他振动 模型。为了理解或预测大分子的构型与性质，特别是复杂的生物分子的构型与功 能，必须在化学键伸缩和键角弯曲振动模型的基础上进一步引入化学键的转动、 分子内和分子间的非键或弱键相互作用等模型。在分子几何模型的基础上，引入分子内和分子间相互作用及其能量的概念后，就得到了分子的力学模型或分子力 场模型(molecular force field models)。

分子力场模型，仍然不能解释分子的许多性质，需要发展。例如，分子力场 模型虽可以解释分子的振动光谱，但无法解释分子的可见-紫外光谱、X射线光 电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy)等。这时，就需要引入比分子力 场模型更进一步的量子力学模型(quantum mechanical models)。分子的量子力 学模型，是建立在Schrodinger方程或密度泛函理论基础上的一个电子模型，研 究电子在组成分子全部原子核所形成的电场中的运动及其规律，是目前人们所知 的最深入的分子模型。但是，求解分子的量子力学模型非常困难，目前只有在处 理孤立的不太大的分子或者具有周期性边界条件的晶体等体系时才能得到比较精 确的结果，在处理大分子或处在溶液中的分子等时，难以得到理想的结果。

从上述分析可以知道，虽然化学与数学和物理学相比较少使用概念模型和数 学公式，但在化学中广泛应用各种类型的分子模型。这些分子模型是典型的物理 模型，它们的建立和应用在化学研究中起着极其重要的作用。对于化学或相关专 业人员，除了需要学习并掌握各种实验方法和技能外，不可忽视对分子模型的学 习，尝试用分子模型解释观察到的实验现象。此外，还要善于总结实验现象，从 实验现象中抽提规律，建立合理的分子模型。