第二节　组成物质的基本单位——分子的诞生

通过星球内部的第二次造元素运动，宇宙中就有了近百种元素，但只实现了“三生百”，还不是“三生万物”。如果每个原子中的电子只围绕自己的原子核旋转，原子之间不发生关系，世界上就只能有这一百来种原子，无法造出千千万万种物质，包括与生命有关的物质。

幸运的是，在多数元素的原子中，最外面的电子并不安分，而是会和其他原子相互作用，后果就是把原子结合到一起。金属元素（如钠元素）最外层的电子容易逃离，而一些非金属元素（如氯元素）又容易获得电子。当钠遇到氯时，钠原子便会给氯原子一个电子，钠原子失去一个电子，带正电，叫钠离子，氯原子得到一个电子，带负电，叫氯离子，在这里离子就是通过失去或者得到电子而带电的原子。带正电子的钠离子和带负电的氯离子相互吸引，结合在一起，形成氯化钠，就是我们每天都要吃的食盐（图1-3）。有些金属元素如钠和钾，只能失去一个电子，叫作一价元素，另一些金属元素如钙和镁，可以失去两个电子，叫作二价元素。价在这里就表示一种原子和其他原子相互作用时涉及的电子数量。

另一种把原子结合到一起的途径不是电子的得失，而是共享电子。原子表层的电子不仅能够围绕自己的原子核旋转，还能够同时围绕其他原子的原子核旋转，这样就把原子绑在一起了。有的原子只能用一个电子与其他原子共享，叫作一价原子，如两个氢原子各出一个电子进行共享，结合在一起。有的原子能够用两个电子与其他原子共享，叫作二价原子，如氧原子可以用两个电子分别与两个氢原子共享。氮原子可以用三个电子分别与三个氢原子共享，是三价原子，而碳原子可以用四个电子分别与四个氢原子共享，是四价原子。这种情形就像用牙签把塑料球穿在一起，塑料球就是原子，牙签就是共价键。氢原子是一价的，上面只能插一根牙签；氧原子是二价的，上面可以插两根牙签；氮原子上可以插三根；而碳原子上可以插四根，等等（图1-4）。

图1-3　钠原子和氯原子反应生成氯化钠

图1-4　氧原子、氮原子、碳原子分别与两个、三个、四个氢原子共享电子，形成水分子、氨分子和甲烷分子

由于原子之间电子共享，这些原子也部分融合。

原子之间的这些联系叫作化学键，“键”在这里就是连接的意思。通过离子的电荷相互吸引形成的化学键叫作离子键，如钠离子和氯离子之间的化学键；通过电子共享形成的化学键叫作共价键，如把两个氢原子连在一起的化学键。化学键可以形成，使原子结合，也可以断裂，使原子分开。原子之间结合和分离的过程叫作化学反应，化学就是研究原子结合和分离的科学。

原子通过化学键特别是共价键连在一起，就可以形成由多个原子组成的分子。分子由原子通过化学反应结合而成，所以又叫化合物。原子在形成分子后，由于最外面的电子需求得到满足，就变得安生了，分子也可以稳定存在。我们这个世界上的物质，多数是由分子组成，而不是由原子直接组成的。

为了把分子中原子的组成即分子式写出来，元素用英文字母代表，叫作元素符号。读者只要知道与生命密切相关的几种元素的元素符号就基本够用了：O（氧）、H（氢）、C（碳）、N（氮）、P（磷）、S（硫）、K（钾）、Na（钠）。这些元素符号在多数情况下是元素英文名称的第一个字母，如O就是氧的英文名称oxygen的第一个字母。

在写分子式时，分子中各种元素原子的数目用下标的阿拉伯数字表示。例如，两个氢原子彼此相连形成的氢分子的分子式是H₂；由一个氧原子和两个氢原子组成的水分子的分子式是H₂O。

为了写出一个分子中原子之间具体的连接方式，可以用短线代表化学键，这样写出来的是分子的具体结构，叫作分子的结构式。例如，两个氢原子彼此相连形成的氢分子用H-H表示；由一个氧原子和两个氢原子组成的水分子是H—O—H；由一个碳原子和两个氧原子组成的二氧化碳是O＝C＝O（氧为二价，碳为四价）；等等。这种写法对简单分子来说好像意义不大，但是对于复杂分子却完全必要。在写复杂分子的结构式时，为了看上去更简洁，有时会把碳原子的符号略去，化学键相交的地方就代表碳原子（参见图1-5）。

由于分子中可以有多种原子，每种原子的数量可以有多个，这些原子又能够以各种方式彼此连接，所以能够形成的分子的种类也是无限的，就像插有不同数目牙签的塑料球彼此相连，可以形成无限种结构，这就实现了“三生万物”，从电子、质子和中子这三种粒子，先生成近百种元素的原子，再由这些原子生成千千万万种分子。

千千万万种分子，就会组成千千万万种不同的物质。分子是物质分割到最小、性质仍然不改变的单位。例如，水在蒸发时变成单个水分子，分散到空气中，眼睛看不见了，但是仍然以水分子的形式存在。温度降低时，这些分子就凝聚出来，重新变回液态水，包括雨水和露水；蔗糖溶化在水中时，蔗糖成为单个分子，分散在水中，眼睛看不见了，但是仍然以蔗糖分子的形式存在，把水蒸发干后，蔗糖又结晶出来。但是如果我们用电解的方法把水分子分得更小，或者在我们的消化道中把蔗糖分子消化为两半（葡萄糖和果糖），就不再是水分子和蔗糖分子了。

原子在组成分子时，共用电子在分子中的分布情形和电子在原来各自原子中的情形不同，所以分子的性质并不是原来原子性质的混合或者叠加，而是会出现完全不同的性质。例如，氢和氧在常温下都是气体，但是由氢和氧组成的水在常温下却是液体；氯是绿色的剧毒气体，钠是银白色的金属，但是氯和钠形成的氯化钠不仅没有毒，还是我们每天都需要的调味品食盐；碳、氢、氧都是没有味道的，但是由这三种元素的原子组成的葡萄糖却是甜的。所以千千万万种分子就有千千万万种性质。

有了这些知识，我们就可以来看看生命所需要的分子是如何形成的了。