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分子形成 (Formation of Molecules)

元素起源 (Origin of Elements)​

  • 宇宙大爆炸 (Big Bang) 产生了 H, He (以及少量的 Li, Be, B)。
  • 更重的元素在恒星内部通过聚变 (fusion) 和中子俘获 (neutron absorption) 形成。
  • 超新星爆发 (supernovae) 中通过中子轰击 (neutron bombardment) 形成更重的元素。
  • 大质量恒星寿命短，产生重元素并在超新星爆发时将所有元素散布到星系中，为行星和生命提供物质基础。

从原子到分子 (Making Molecules from Atoms)​

  • 恒星内部温度高，电子不束缚在原子核上（等离子体 plasma），发生核变化（物理过程）。
  • 星际云 (Interstellar clouds) 温度低，电子束缚在原子核上，通过电子共享 (electron sharing) 形成分子（化学过程）。
  • 行星和生命由分子形成。
  • 电子壳层 (electron shells) 的行为决定了分子的形成。
  • 形成稳定分子需要：原子填满电子壳层（能量最低），电荷平衡 (charge balance)，原子尺寸 (size) 匹配。

关键概念：元素 (Elements)​

  • 原子核中的质子数决定了电子数。
  • 电子在原子核周围分层排列形成“壳层”。
  • 所有化学相互作用都取决于电子壳层之间的相互作用。
  • 原子可以共享、给予或接受电子，影响原子的价态 (valence state)。
    • 带正电荷的离子称为阳离子 (cations)。
    • 带负电荷的离子称为阴离子 (anions)。

周期表 (Periodic Table)​

  • 水平行 (horizontal rows) 反映电子壳层数。
  • 垂直列 (vertical column) 或族 (group) 反映最外层电子构型，具有相似化学性质。

分子形成因素​

  1. 电子壳层 (Electron Shells)

    • 最外层电子壳层“满”时分子最稳定（第一层2个，其余8个）。

    • 最外层电子壳层已满的原子是惰性气体 (noble gasses)，不活泼。

    • 最外层只有1或2个电子或缺少1或2个电子的元素非常活泼，倾向于与其他元素结合使最外层达到8个电子。

    • 过渡元素 (Transition elements) 规则更复杂。

    • 共价键 (Covalent Bonding)：通过共享电子填满电子壳层。

    • 离子键 (Ionic Bonds)：通过给予和接受电子填满电子壳层。

      • 阳离子 (cation) 失去电子带正电。
      • 阴离子 (anion) 获得电子带负电。

    • 金属键 (Metals)：电子在不完整的壳层中自由移动。

  2. 几何形状 (Geometry)

    • 原子需要尺寸匹配。
    • 电子壳层越多，原子越大。
    • 同一壳层中，原子核正电荷越多，原子越小。
    • 共价键半径 (Radius for covalent bonds)
      • 随壳层数增加而增大（沿周期表向下）。
      • 随原子核正电荷增加而减小（沿周期表向右）。
    • 离子半径 (Ionic radius)
      • 阴离子 (Anions) 较大。
      • 阳离子 (Cations) 较小。

  3. 对称性 (Symmetry)

    • 对称性允许形成无限重复的结构。
    • 有序生长能量上更有利。
    • 晶体结构 (Crystal Structure) 主要由阴离子排列和阳离子填充决定，因为阴离子通常比阳离子大。
    • 常见的对称类别：2, 3, 4, 6 重对称。

分子分类 (Classes of Molecules)​

  • 最重要的分子由最丰富的元素组成：Fe, Mg, Si, O, Ca, Al, C, H, O。
  • 两大类分子：无机分子 (Inorganic) 和有机分子 (Organic)。

无机分子 (Inorganic Molecules)​

  • 不含 C-H 键，构成大部分行星物质。
  • 形成矿物 (Minerals)。
  • 矿物 (Minerals)：固态、天然存在、无机化合物，具有均匀的物理性质、对称结构和可用化学式表示的化学成分。
  • 矿物必须对称才能生长。

矿物对宜居性的重要性 (Importance of Minerals to Habitability)​

  • 地球由矿物组成。
  • 生命起源于矿物、水和大气之间的相互作用。
  • 矿物可能为 RNA 和 DNA 等长重复分子提供了模板。
  • 所有地球化学循环 (geochemical cycles) 都通过矿物进行。

常见矿物类型 (Types of Minerals)​

  • 硅酸盐 (Silicates)：Si, O 与其他阳离子结合。
    • 硅氧四面体 (Silica-oxygen Tetrahedra)：一个 Si 离子被四个 O 离子包围，是硅酸盐的基本结构单元。
    • 不同的组合形成不同的结构：独立四面体（橄榄石 Olivine）、单链（辉石 Pyroxene）、双链（角闪石 Amphibole）、片状（云母 Mica）、三维网状（长石 Feldspar, 石英 Quartz）。
  • 碳酸盐 (Carbonates)：Ca, Mg 和 CO₃²⁻。
  • 氧化物 (Oxides)：O²⁻ 和金属阳离子。
  • 硫化物 (Sulfides)：S²⁻ 和金属阳离子。
  • 硫酸盐 (Sulfates)：SO₄²⁻ 和金属阳离子。

矿物的重要性质 (Important Properties of Minerals)​

  • 物理性质（硬度 hardness, 颜色 color, 晶体习性 crystal habit 等）用于鉴定。
  • 对理解地球形成和结构重要的性质：
    • 密度 (Density)：由原子核中平均粒子数和原子堆积紧密程度决定。密度是物质自组织的主要方式（轻物质浮在重物质之上）。
    • 挥发性 (Volatility)：物质在不同温度下转变为气体或液体的倾向。
      • 挥发性物质 (Volatiles)：在低温下为气体。
      • 难熔物质 (Refractories)：在高温下仍为固体。
      • 相对挥发性在行星成分和分层形成中起重要作用。
      • 生命由挥发性元素组成，需要集中到地表。
    • 物质状态 (States of Matter)：固态 (Solid), 液态 (Liquid), 气态 (Gas), 等离子态 (Plasma)。熔点和沸点因分子不同而差异巨大。温度和压力可导致相变 (phase changes)。

有机分子 (Organic Molecules)​

  • 含有 C-H 键。
  • 最简单的有机分子是烃 (Hydrocarbons)，如甲烷 (CH₄)。

生命中涉及的四种主要有机分子 (Four Main Types of Organic Molecules Involved in Life)​

  • 碳水化合物 (Carbohydrates)：氢氧原子比例与水相似（如糖类和淀粉）。
  • 脂类 (Lipids)：氧含量远低于碳水化合物，能量密度高（如脂肪和油）。
  • 蛋白质 (Proteins)：由氨基酸 (amino acids) 组成的长链。
  • 核酸 (Nucleic Acids)：具有信息携带和复制功能（DNA 和 RNA）。

总结 (Summary)​

  • 超新星爆发散布元素后不久，分子在星际云中形成。
  • 星际云中存在硅酸盐矿物和有机分子。
  • 这些分子由恒星辐射介导的过程构建。
  • 行星和生命的构建块在宇宙中大量存在。
  • 电子共享形成分子（化学）。
  • 两大类分子：无机分子和有机分子。
  • 原子形成分子受电子壳层、几何形状和对称性三个因素影响。
  • 阴离子大，阳离子小。
  • 重要矿物类型：硅酸盐、碳酸盐、氧化物、硫化物、硫酸盐。
  • 矿物的重要性质：密度和挥发性。