第二節　組成物質的基本單位——分子的誕生

通過星球內部的第二次造元素運動，宇宙中就有了近百種元素，但只實現了“三生百”，還不是“三生萬物”。如果每個原子中的電子只圍繞自己的原子核旋轉，原子之間不發生關系，世界上就只能有這一百來種原子，無法造出千千萬萬種物質，包括與生命有關的物質。

幸運的是，在多數元素的原子中，最外面的電子并不安分，而是會和其他原子相互作用，后果就是把原子結合到一起。金屬元素（如鈉元素）最外層的電子容易逃離，而一些非金屬元素（如氯元素）又容易獲得電子。當鈉遇到氯時，鈉原子便會給氯原子一個電子，鈉原子失去一個電子，帶正電，叫鈉離子，氯原子得到一個電子，帶負電，叫氯離子，在這里離子就是通過失去或者得到電子而帶電的原子。帶正電子的鈉離子和帶負電的氯離子相互吸引，結合在一起，形成氯化鈉，就是我們每天都要吃的食鹽（圖1-3）。有些金屬元素如鈉和鉀，只能失去一個電子，叫作一價元素，另一些金屬元素如鈣和鎂，可以失去兩個電子，叫作二價元素。價在這里就表示一種原子和其他原子相互作用時涉及的電子數量。

另一種把原子結合到一起的途徑不是電子的得失，而是共享電子。原子表層的電子不僅能夠圍繞自己的原子核旋轉，還能夠同時圍繞其他原子的原子核旋轉，這樣就把原子綁在一起了。有的原子只能用一個電子與其他原子共享，叫作一價原子，如兩個氫原子各出一個電子進行共享，結合在一起。有的原子能夠用兩個電子與其他原子共享，叫作二價原子，如氧原子可以用兩個電子分別與兩個氫原子共享。氮原子可以用三個電子分別與三個氫原子共享，是三價原子，而碳原子可以用四個電子分別與四個氫原子共享，是四價原子。這種情形就像用牙簽把塑料球穿在一起，塑料球就是原子，牙簽就是共價鍵。氫原子是一價的，上面只能插一根牙簽；氧原子是二價的，上面可以插兩根牙簽；氮原子上可以插三根；而碳原子上可以插四根，等等（圖1-4）。

原子之間的這些聯系叫作化學鍵，“鍵”在這里就是連接的意思。通過離子的電荷相互吸引形成的化學鍵叫作離子鍵，如鈉離子和氯離子之間的化學鍵；通過電子共享形成的化學鍵叫作共價鍵，如把兩個氫原子連在一起的化學鍵。化學鍵可以形成，使原子結合，也可以斷裂，使原子分開。原子之間結合和分離的過程叫作化學反應，化學就是研究原子結合和分離的科學。

原子通過化學鍵特別是共價鍵連在一起，就可以形成由多個原子組成的分子。分子由原子通過化學反應結合而成，所以又叫化合物。原子在形成分子后，由于最外面的電子需求得到滿足，就變得安生了，分子也可以穩定存在。我們這個世界上的物質，多數是由分子組成，而不是由原子直接組成的。

為了把分子中原子的組成即分子式寫出來，元素用英文字母代表，叫作元素符號。讀者只要知道與生命密切相關的幾種元素的元素符號就基本夠用了：O（氧）、H（氫）、C（碳）、N（氮）、P（磷）、S（硫）、K（鉀）、Na（鈉）。這些元素符號在多數情況下是元素英文名稱的第一個字母，如O就是氧的英文名稱oxygen的第一個字母。

在寫分子式時，分子中各種元素原子的數目用下標的阿拉伯數字表示。例如，兩個氫原子彼此相連形成的氫分子的分子式是H₂；由一個氧原子和兩個氫原子組成的水分子的分子式是H₂O。

為了寫出一個分子中原子之間具體的連接方式，可以用短線代表化學鍵，這樣寫出來的是分子的具體結構，叫作分子的結構式。例如，兩個氫原子彼此相連形成的氫分子用H-H表示；由一個氧原子和兩個氫原子組成的水分子是H—O—H；由一個碳原子和兩個氧原子組成的二氧化碳是O＝C＝O（氧為二價，碳為四價）；等等。這種寫法對簡單分子來說好像意義不大，但是對于復雜分子卻完全必要。在寫復雜分子的結構式時，為了看上去更簡潔，有時會把碳原子的符號略去，化學鍵相交的地方就代表碳原子（參見圖1-5）。

由于分子中可以有多種原子，每種原子的數量可以有多個，這些原子又能夠以各種方式彼此連接，所以能夠形成的分子的種類也是無限的，就像插有不同數目牙簽的塑料球彼此相連，可以形成無限種結構，這就實現了“三生萬物”，從電子、質子和中子這三種粒子，先生成近百種元素的原子，再由這些原子生成千千萬萬種分子。

千千萬萬種分子，就會組成千千萬萬種不同的物質。分子是物質分割到最小、性質仍然不改變的單位。例如，水在蒸發時變成單個水分子，分散到空氣中，眼睛看不見了，但是仍然以水分子的形式存在。溫度降低時，這些分子就凝聚出來，重新變回液態水，包括雨水和露水；蔗糖溶化在水中時，蔗糖成為單個分子，分散在水中，眼睛看不見了，但是仍然以蔗糖分子的形式存在，把水蒸發干后，蔗糖又結晶出來。但是如果我們用電解的方法把水分子分得更小，或者在我們的消化道中把蔗糖分子消化為兩半（葡萄糖和果糖），就不再是水分子和蔗糖分子了。

原子在組成分子時，共用電子在分子中的分布情形和電子在原來各自原子中的情形不同，所以分子的性質并不是原來原子性質的混合或者疊加，而是會出現完全不同的性質。例如，氫和氧在常溫下都是氣體，但是由氫和氧組成的水在常溫下卻是液體；氯是綠色的劇毒氣體，鈉是銀白色的金屬，但是氯和鈉形成的氯化鈉不僅沒有毒，還是我們每天都需要的調味品食鹽；碳、氫、氧都是沒有味道的，但是由這三種元素的原子組成的葡萄糖卻是甜的。所以千千萬萬種分子就有千千萬萬種性質。

有了這些知識，我們就可以來看看生命所需要的分子是如何形成的了。