Что такое молекула и из чего состоит. Что такое молекула

МОЛЕКУЛА (от лат. molecula-маленькая частица), наименьшая частица вещества, сохраняющая все его химич. свойства. М. является пределом раздробления вещества как такового: при попытках дальнейшего измельчения М. должны разделиться на свои составные части-атомы (см. Атом), обладающие другими хим. свойствами. Поэтому химич. формула М. является в то же время химич. формулой любого количества этого вещества, которое состоит из совокупности громадного числа одинаковых М. За последние десятилетия в результате значительного расширения знаний о тончайшей структуре вещества представление о молекуле несколько изменилось и уточнилось: только в газах М. обладают индивидуальным существованием и находятся на громадных (по сравнению с их размерами) расстояниях друг от друга; в жидкостях они соединяются («ассоциируются») между собой в б. или м. крупные и устойчивые агрегаты; в твердых (кристаллических) телах они настолько сближены, что границы между отдельными М. стираются и во многих случаях получается правильное чередование атомов (или ионов), которые трудно приписать определенным М. Однако для газов и для (разбавленных) растворов понятие М. полностью сохранило свой смысл. В дальнейшем, говоря о М., надо иметь в виду главным образ, эти две формы вещества. Для них 689 ■справедлив закон Авогадро (Avogadro), согласно которому в одинаковых объемах различных веществ в газо- или парообразном состоянии (при одинаковом давлении и t°) содержится одинаковое количество М. При атмосферном давлении (760 мм) и 0° в объеме, равном 22,4 л, содержится такое количество г любого вещества, к-рое равно его молекулярному весу: 2 0156 г Н 2 , 32,000 г ■0 2 и т. д. Этот объем называется грамм-молекулярным. Число М. в этом объеме [или при других (жидком и твердом) состояниях вещества, в весовом количестве его, равном (в граммах) молекулярному весу (это количество сокращенно обозначается словом «моль»)] по закону Авогадро для всех веществ одинаково, т. е. представляет собой универсальную постоянную. Обычно оно называется числом Авогадро и обозначается буквой N. Иногда его называют числом Лошмидта (Loschmidt) и обозначают буквой N L . В настоящее время существует целый ряд независимых друг ■от друга способов определения N, дающих очень близкие результаты. Наиболее точные из этих методов дают значение N= ■= 6,06.10 23 . Деля на это громадное число объем моля вещества в конденсированном ■состоянии (жидкого или твердого), можно найти верхний предел размеров пространства, занимаемого одной М. Другие методы также позволяют определить, правда,с меньшей точностью, чем N, размеры М. или вернее сфер их действия. Они различны для разных веществ, возрастая со сложностью хим. состава, но в среднем порядок их величины-10~ 7 см. Понятно, что при таких размерах молекулы невидимы даже в самый лучший микроскоп или ультрамикроскоп, и все наши сведения о М. могут быть получены только косвенными методами. Масса отдельной М. очень мала. Она может быть найдена с большой точностью.для каждого вещества делением моля на число Авогадро. Т. о. получено для водорода-0,324.10" 23 г, для гелия-0,639.Ю -23 г и т. д. Как было указано выше, М. состоят из еще более мелких структурных единиц- из атомов. Поэтому возникает вопрос о строении М., о том, как расположены атомы в М., какими силами они связаны между собой, какую энергию нужно затратить на их разделение и т. д. Особенное значение этот вопрос имеет для химии, т. к. он сводится к вопросу о строении и образовании химич. соединений. Проблема строения сложных М. составляет важнейшую часть современной органической химии и разработана в течение 19 в. с большой полнотой. Что же касается М. более простых, преимущественно неорганических соединений, то их строение и образование стало выясняться лишь в последнее время в связи с теориями строения атома, составившими новую главу физ. химии, именуемую в по--следние годы хим. физикой. Оказалось, что связь между атомами в М. может быть различной. В этом смысле все М. могут быть разделены на две большие группы: гете-рополярные и гомеополярные М. Между крайними представителями обеих групп существует большое число постепен- ных переходов, и не всегда возможно определить, к какому типу относится М. данного соединения. Однако типичные гетерополяр-ные М., как например NaCl, резко отличаются от типичных гомеополярных М., как напр. Н 2 . Первые состоят из атомов или групп противоположного химич. характера, притом заряженных электричеством противоположного знака, т. е. из ионов, например Na+и С Г, Са++ и С0 3 " и т. д. Вторые, наоборот, состоят из одинаковых или близких по характеру атомов или групп, лишенных электрического заряда: Н 2 , N 2 , 0 2 , С1 2 , С 2 Н в и т. д. В.М. первого рода связь между компонентами осуществляется повидимому притягательными силами электростатического характера, т. е. притяжением их противоположных зарядов; природа сил связи в гомеополярных М. менее ясна, хотя также вероятно может быть сведена к силам электрического характера.-Картина образования гетерополярных М. с точки зрения электронной теории строения атома дана Косселем (Kossel): при образовании М., например NaCl, валентный электрон Na перетягивается к С1, сообщая последнему отрицательный заряд и оставляя Na заряженным положительно. Получившиеся при этом ионы Na+ и СГ~ взаимно притягиваются электростатически, причем у каждого из них в наружной оболочке (см. Атом) оказывается по восьми электронов, как у атомов ближайших благородных газов. Идя по этому пути, Коссель объяснил образование не только простых гетерополярных соединений типа NaCl, но и значительно более сложных комплексных соединений (см.), причем при помощи энергетических соображений удалось вычислить координационное число (см. Координационная теория). -В типичных г о-мео полярных М. полного перетягивания электронов от одних компонентов М. к другим вероятно не происходит. Полагают, что здесь электроны, осуществляющие хим. связь, не покидают того атома, из которого они произошли, а становятся общими для соединяемых компонентов, окружая их ядра своими орбитами и проводя часть времени в сфере действия каждого из компонентов М. Наконец у М. промежуточного типа, называемых полуполярными (Lux), валентные электроны являются общими для компонентов М., но в большей или меньшей степени смещены в сторону одного из них. В вопросе о строении М. громадные успехи достигнуты за последние годы путем изучения оптических и электрических свойств М. Молекулярные спектры значительно сложнее линейных спектров атомов: они состоят из полос, которые сильными инструментами разлагаются на ряд тончайших, очень близких друг к другу линий. Происхождение этих полос объясняется следующим образом. Тогда как в атомах спектральные линии появляются только в результате перескоков электронов с наружных орбит на внутренние, в М. кроме этих скачкообразных изменений состояния и запаса энергии возможны колебания компонентов М. друг относительно друга и вращения всей М. как целого. Все эти три вида движения 592: согласно принципам квантов теории (см.) могут сопровождаться не непрерывными, а лишь совершенно определенными дискретными изменениями запаса энергии молекул. Каждое из них при определенных условиях может сопровождаться испусканием отдельной спектральной линии. Изменения вращательного движения связаны с очень малыми изменениями энергии, малыми квантами, и соответствующие им линии лежат в далекой инфракрасной (см. Инфракрасные лучи) области. Изменения колебательного движения приводят к значительно (в 100-200 раз) большим изменениям энергии, и соответствующие линии находятся в короткой инфракрасной части спектра. Перескоки электронов в М. вызывают появление линий в видимой и ультрафиолетовой части спектра. Эти три ряда движений связаны между собой, и напр. колебательное движение компонентов двухатомной М. по линии, соединяющей их центры, всегда вызывает также одновременное изменение вращательного движения. Вот почему появление линии колебательного спектра всегда вызывает появление ряда линий вращательного спектра, располагающихся около первой на очень малых расстояниях и в слабых оптических приборах сливающихся с ней в одну спектральную полосу вращательно-колебательного спектра. Перескок электрона возбуждает кроме основной линии целый ряд линий колебательного и вращательного спектра, сливающихся с первой в широкую полосу в видимой или ультрафиолетовой части спектра испускания или поглощения (абсорпции, см.) -Подробное изучение молекулярных спектров привело к точному определению длины (расстояния между атомами) нек-рых двухатомных М., их момента инерции и важных энергетических величин, как напр. теплоты диссоциации многих М. на атомы. К важным результатам привело также изучение электрических свойств М. Полярные М., состоящие из разнородных в электрическом отношении компонентов, являются вполне нейтральными лишь на больших по сравнению с их длиной расстояниях. На малых же расстояниях от их концов (полюсов) сказывается несимметричное расположение в них электрических зарядов: на одном полюсе преобладают положительные, на другом-отрицательные заряды. Расстояние между центрами тяжести (полюсами) тех и других зарядов, помноженное на величину этих зарядов, дает дипольный момент такой М., называемой диполем. Несимметричное расположение разноименных зарядов, придающее М. дипольный характер, одним М. присуще постоянно (постоянный дипольный момент), у других может быть вызвано внешним воздействием. напр. помещением М. в электрическое поле (наведенный или индуцированный дипольный момент). Изучение постоянных дипольных моментов М., произведенное гл. образ. Дебаем (P. Debye) и, его школол, привело к определению длины дипольных М. и расположения составляющих атомов в пространстве. Кроме того удалось объяснить явление ассоциации в жидкостях и в парах (см. Жидкости), отклоне ния поведения бинарных смесей от простых законов смешения, природу так наз. Ван-дер-Ваальсовских сил притяжения между М. и т. д. Вместе с тем удалось выяснить, какие части М. (группы или радикалы сложных соединений) определяют ее полярные-свойства, приписать каждой такой полярной группе определенный дипольный момент и аддитивным сложением последних (с учетом расположения отдельных групп в пространстве) вычислить дипольные моменты сложных М. в близком согласии с-экспериментальными данными. Наведенный,или индуцированный дипольный момент, может появиться в М., не обладающей постоянным диполь-ным моментом, под влиянием падающего» на нее света, представляющего собой быстро-переменное электромагнитное поле. Появление этого момента сказывается на преломлении, или рефракции света при прохождении его через такие поляризуемые М. Изучение молекулярной рефракции ^^j - (где- п -коефициент преломления, М -молекулярный вес, q -плотность) ряда соединений привело к нахождению аддитивно слагающихся атомных и ионных рефракций отдельных компонентов М. и к выяснению строения нек-рых М. В применении к полярным М. солеообразных соединений изучение-рефракций привело к нахождению деформации электронных оболочек ионов в хим. соединениях, позволившему гл. обр. Фаянсу (К. Fajans) объяснить целый ряд особенностей различных солей (упругость пара, точки кипения и плавления, растворимость,. окраску и мн. др.). В последние годы найден новый физ. метод исследования М., давший уже весьма интересные результаты. Этот метод, почти одновременно найденный Раманом (Raman) в Индии и Мандельштамом и Ландсбергом в Москве, сводится к получению спектров рассеяния изучаемых веществ, в которых наряду с обычными линиями падающего света появляется ряд, спутников, т. е. линий большей и меньшей длины волны. Очень полезным для изучения строения М. оказался также метод рентген. анализа, позволивший узнать расположение-в пространстве и абсолютные расстояния между атомами, входящими в состав М. сложных соединений, как нафталин, гек-саметилентетрамин и др. Дипольные моменты отдельных групп в сложных М. Связь или радикал: С-Н Н-О С=0 С-О...С-С1 С-ОН С-С С-N0 3 \ОН Дипольн. MOM. fi 10 1 * 0,4 1,6 2,3 0,7 1,5 1,6 1,0 3,7 Дипольные моменты сложных М: Пара- ТХ „ 1ПЯ _ О-ди- Состав:Толуол хлор-z.zrJi"t^ хлор- Фенол Ацетон фенол к Р езол бензол Дип. мом. выч. ft 10": 0,4 2,3 1,5 2,6 1,6 2,7 Дип. MOM. ЭКСПер. ц 10 м:0,452,41,52,21,632,70 Лит.: Кондратьев В., Физические и химические свойства молекул (Новые течения научи, мысли, т. XV, М.-Л., 1928); Ильин Б., Молекулярные силы и их электрическая природа, М.-Л., 1929; Фаянс К., Деформация электрических оболочек и ее влияние на свойства солеобразных соединений, Успехи физических наук, т. V, вып. 4-5, 1926; D е-b у е P., Dipolmoraent und cnemische Struktur, Leipzig, 1929.А. Рабинович.

Молекулой называют наименьшую частицу вещества, обладающую его химическими свойствами.

Молекула состоит из атомов, а точнее, из атомных ядер, окруженных внутренними электронами, тогда как внешние, валентные электроны участвуют в образовании химических связей.

А, например, в случае инертных газов понятия атома и молекулы совпадают.

Каждая молекула имеет определенный качественный и количественный состав. Так, молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода (качественный состав), причем в ней содержится один атом кислорода и два атома водорода (количественный состав). Иногда количественный состав молекул выражают в процентах (по массе): в Н2O-11,1% водорода и 88,9% кислорода.

Кроме состава молекулы характеризуются определенной структурой или строением. Часто термины «структура» и «строение» отождествляют, иногда же их различают, говоря о «ядерной структуре» и «электронном строении» молекул. Но в любом случае необходимо четко оговаривать, о чем идет речь: о взаимном расположении и перемещении атомных ядер или же о распределении электронной плотности.

Атомы в молекулах связаны в определенном порядке. Так, в молекуле аммиака NH3 каждый атом водорода соединен одной ковалентной связью с атомом азота; между самими водородными атомами химическая связь отсутствует (последнее, правда, не означает, что между химически несвязанными атомами отсутствует вообще всякое взаимодействие (см. Химическая связь). Наличие связей между одними атомами и отсутствие их между другими изображают в виде так называемых графических, или структурных, формул.

В последнее время в химической литературе все чаще употребляют термин «топология молекул». Топология - это раздел математики, изучающий свойства тел, не зависящие от их формы и размеров. Эти свойства называют неметрическими. Молекулы обладают как метрическими свойствами (длины химических связей, углы между ними и др.), так и неметрическими (молекула может быть циклической, скажем бензол, или нециклической, я-бутан; иметь центральный атом, окруженный лигандами,- PCl5, или представлять собой как бы «клетку» и т. д.). Под топологией молекулы понимают совокупность ее неметрических свойств.

Топология молекулярных систем тесно связана с их свойствами. Например, молекулы этанола и ди-метилового эфира топологически различны, что позволяет понять разницу в некоторых свойствах этих соединений (этанол может давать реакции с участием группы ОН и водорода этой группы, эфир - нет и т. д.). Но свойства молекул зависят не только от их топологии, но и от других факторов (геометрии молекулы, распределения электронной плотности в ней и др., см. Стереохимия).

В последние годы внимание ученых привлек новый класс молекулярных систем - так называемые нежесткие молекулы. Как известно, ядра в молекулах движутся. В силу резкого различия в массах ядер и электронов ядерные движения (колебания) происходят намного медленнее электронных, поэтому можно считать, что электроны в молекулах движутся в поле неподвижных атомных ядер. Конечно, такое допущение является приближением, которое называется адиабатическим. Для многих молекул, где ядра совершают небольшие по амплитуде колебания около определенных положений в пространстве, адиабатическое приближение вполне приемлемо. Такие молекулы называют структурно-жесткими, например СН4, Н2O и т. д. Однако есть молекулы, их называют нежесткими, в которых ядра совершают значительные перемещения. В подобных случаях понятие о неизменной равновесной геометрии молекулы теряет смысл. Например, в борогидриде лития LiBH4 катион Li+ как бы обращается вокруг аниона ВН4 (см. рис. на с. 146, в середине, справа). Разумеется, чтобы ион Li+ смог начать подобное «путешествие», молекула должна получить определенную энергию. Для нежестких молекул эта энергия невелика: для LiBH4 она составляет около 16 кДж/моль, т. е. во много раз меньше энергии химической связи. Другим примером нежесткой молекулы может служить аммиак NH3. Возвращаясь к «обычным», жестким молекулам, следует отметить, что при одном и том же составе они могут иметь различную топологию и геометрию, т. е. давать разного типа изомеры (см. Изомерия; Таутомерия).

Структура и даже состав молекул могут изменяться при изменении агрегатного состояния вещества и внешних условий, главным образом температуры и давления. Например, в газообразном оксиде азота (V) существуют отдельные молекулы N2O5, тогда как в твердом состоянии в узлах кристаллической решетки этого оксида находятся ионы NO2+ и NO3 , т. е. можно сказать, что твердый N2O5 - это соль - нитрат нитрония.

В твердом теле молекулы могут сохранять или не сохранять свою индивидуальность. Так, большинство органических соединений образуют молекулярные кристаллы, в узлах решеток которых находятся молекулы, связанные друг с другом относительно слабыми межмолекулярными взаимодействиями. В ионных (например, NaCl) и атомных (алмаз, графит) кристаллах нет отдельных молекул, и весь кристалл - это как бы одна гигантская молекула. Правда, в последнее время в теории твердого тела начали широко использовать молекулярные модели, однако это потребовало некоторого пересмотра понятия элементарной ячейки кристалла (см. Кристаллохимия).

Изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для естествознания в целом.

Может содержать положительно и отрицательно заряженные , т. е. ; в этом случае реализуются . Помимо указанных, в существуют и более слабые взаимодействия между . Между валентно не связанными действуют силы отталкивания.

Развитие учения о структуре неразрывно связано с успехами прежде всего . Теория строения , созданная в 60-х гг. 19 в. трудами А. М. Бутлерова, Ф. А. Кекуле, А. С. Купера и др., позволила представить или формулами строения, выражающими последовательность валентных в . При одной и той же эмпирической формуле могут существовать разного строения, обладающие различными свойствами (явление ). Таковы, например, С 5 Н 5 ОН и (СН 3) 2 О. этих соединений разнятся:

В некоторых случаях изомерные быстро превращаются одна в другую и между ними устанавливается динамическое (см. ). В дальнейшем Я. Х. Вант-Гофф и независимо французский химик А. Ж. Ле Бель пришли к пониманию пространственного расположения в и к объяснению явления . А. Вернер (1893) распространил общие идеи теории строения на неорганические . К началу 20 в. располагала подробной теорией , исходящей из изучения только их химических свойств. Замечательно, что прямые физические методы исследования, развитые позднее, в подавляющем большинстве случаев полностью подтвердили , установленные путём исследования макроскопических количеств , а не отдельных .

Равновесные межъядерные расстояния r 0 и энергии D (при 25° С) некоторых двухатомных

	r 0, Ǻ		r 0 , Ǻ






				C-Br…………….
Cº C……………...		C-I………………
C-H……………..		C-S……………..
C-O……………..		O-H…………….
C=O……………...		N-H……………..
C-N……………..		S-H……………..







			В подавляющем большинстве случаев суммарный валентных в равен нулю, т. е. попарно насыщены. , содержащие неспаренные - (например, атомный Н · · , метил CH· · 3), обычно неустойчивы, т. к. при их соединении друг с другом происходит значительное понижение энергии вследствие образования валентных связей. Наиболее эффективным методом изучения строения является (). Электрические и оптические свойства . Поведение в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками - постоянным и . означает несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в , т. е. электрическую асимметрию . Соответственно , имеющие центр , например H 2 , лишены постоянного ; напротив, в HCl смещены к Cl и равен 1,03 D (1,03× 10 -18 ед. СГС). характеризуется способность электронной оболочки любой смещаться под действием электрического поля, в результате чего в создаётся индуцированный . Значения и находят экспериментально с помощью измерений диэлектрической проницаемости. В случае аддитивности свойств может быть представлен суммой связей (с учётом их направления), то же относится к . Элементов, у которых или нечётны, обладают ядерным спиновым парамагнетизмом. Для таких ядер характерен

В первый раз слово «молекула» большинство из нас услышали в школе на уроках природоведения. Это одно из основополагающих понятий современной химии, которое сделало возможным дальнейшее познание окружающей среды.

Что же такое молекула, из чего она состоит и зачем вообще нужно изучать молекулы?

Откуда взялось слово «молекула»?

Как и большинство химических терминов, слово «молекула» имеет в основе латынь. Оно образовано из двух слов: «мoles», имеющего значение массы, тяжести и «-cule» — уменьшительного суффикса. Дословное значение – маленькая масса.

В современной химии молекула – мельчайшая частица какого-либо вещества. Даже одна молекула любого вещества обладает всеми свойствами, которые характерны для этого вещества.

Если молекулу разделить на составные части, вещество, которое она составляла, уничтожится, распавшись на более простые элементы – атомы. На этой основе сформирован весь свод понятий, образующих современную химическую науку и практику.

Из чего состоит молекула?

Как здание состоит из кирпичиков, а любой механизм, сделанный человеком – из деталей, так и молекула состоит из простых «кирпичиков» — атомов химических элементов.

Некоторые молекулы состоят всего из одного атома – например, молекулы металлов. Но подавляющее большинство веществ, которые нас окружают, имеют гораздо более сложное молекулярное строение.

Строение любой молекулы можно записать в виде химической формулы, которая указывает, из атомов каких химических элементов состоит вещество и сколько атомов каждого вещества содержится в одной молекуле. Молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов элемента кислорода.

Всем известна формула воды: H2O, которая означает, что каждая молекула воды содержит один атом кислорода и два атома водорода. Еще одна известная буквально всем формула – С2Н5ОН, формула этилового спирта, которая показывает, что это вещество состоит из двух атомов углерода (С), шести атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О).

В процессе взаимодействия друг с другом вещества обмениваются химическими элементами, вступая в реакции. При этом образуются новые вещества, обладающие новыми свойствами, отличными от свойств исходных веществ.

Так, уголь (практически полностью состоящий из углерода), сгорая (взаимодействуя с кислородом, содержащимся в воздухе), образует углекислый газ – вещество, непригодное для дыхания, в отличие от кислорода.

Молекулы в обычном состоянии не несут электрического заряда и называются нейтральными. Те молекулы, которые получают положительный или отрицательный заряд, называются ионами, а процесс – ионизацией. Молекулы, атомы которых имеют неспаренные электроны, называются радикалами.

Чему равна масса молекулы?

Конечно, таких чувствительных весов, которые позволяли бы взвесить одну молекулу вещества, не существует в арсенале современной науки. Масса молекул и атомов вычисляется другими способами. Принято считать, что масса молекулы любого вещества равна сумме масс всех атомов, из которых состоит это вещество.

Но как узнать, сколько весит атом? Это можно узнать из Периодической таблицы элементов Менделеева, где указана масса каждого элемента. Правда, указана не в привычных нам килограммах, а в специальных единицах атомной массы.

Одна атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода, что в численном выражении равно 1,660*10-27 кг.

уменьшительное от лат. moles - масса) - наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная к самостоятельному существованию; нейтральная по заряду совокупность атомов, связанных вследствие химического взаимодействия в определенном порядке. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и из различных атомов. Особо выделяются макромолекулы, состоящие из сотен тысяч атомов.

Отличное определение

Неполное определение ↓

МОЛЕКУЛА

уменьшительная форма от лат. moles - масса) - наименьшая частица химического соединения; состоит из системы атомов, с помощью химических средств может распадаться на отдельные атомы. Молекулы благородных газов, гелия и т. д. одноатомны; сложнейшие вещества, напр. молекула яичного белка, состоят из тысяч атомов. Строение и свойства атомов, образующих молекулы, определяют свойства вещества. Молекула водяного пара имеет диаметр 2,6 10&8 см. В 1 см3 газа при температуре 0° и давлении в 1 атм содержится около 27 1018 молекул. Молекулы находятся в постоянном движении, хотя в целом система пребывает в покое. Выделяемая при этом энергия движения называется теплом.