Молекула — наименьшая частица вещества¶
Молекула — это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами, состоящая из атомов, связанных химическими связями. Молекулы характерны для веществ с ковалентной связью — газов, многих жидкостей и твёрдых органических соединений. Ионы, металлы и кристаллические соли молекул в строгом смысле не имеют: их структура описывается ионными решётками или металлической связью.
¶История понятия
Понятие молекулы восходит к античной атомистике, но в научный оборот оно вошло в XVII веке. Французский математик Пьер Гассенд и философ Рене Декарт использовали термин «молекула» для обозначения дискретных частиц материи. В 1811 году итальянский учёный Амедео Авогадро сформулировал гипотезу: одинаковые объёмы газов при одинаковых температуре и давлении содержат одинаковое число молекул. Эта гипотеза, позднее названная законом Авогадро, позволила определить относительные молекулярные массы газов.
В 1860 году на первом Международном конгрессе химиков в Карлсруэ итальянский химик Станиславо Канниццаро предложил различать атомную и молекулярную массы, что устранило противоречия в атомных массах, накопившиеся к тому времени. К концу XIX века молекулярная теория стала общепринятой.
¶Строение и размеры
Молекула состоит из атомов, соединённых ковалентными связями. Число атомов в молекуле варьируется от двух (например, O₂, HCl) до тысяч и миллионов — таковы молекулы полимеров и белков. Средний размер молекул — порядка 10⁻¹⁰ метра (0,1 нанометра), то есть сопоставим с размером атома. Масса молекулы измеряется в атомных единицах массы (а. е. м.): одна атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода-12 и составляет около 1,66 × 10⁻²⁷ кг.
Молекулярная масса — сумма атомных масс всех атомов молекулы. Так, молекулярная масса воды (H₂O) равна примерно 18 а. е. м., диоксида углерода (CO₂) — 44 а. е. м. Молярная масса численно совпадает с молекулярной массой, но выражается в граммах на моль: у воды это 18 г/моль.
¶Классификация молекул
По составу молекулы делятся на:
- Гомоядерные — состоят из атомов одного элемента (O₂, N₂, O₃, S₈, P₄).
- Гетероядерные — состоят из атомов разных элементов (H₂O, CO₂, NH₃, C₆H₁₂O₆).
По симметрии и полярности:
- Полярные — имеют ненулевой дипольный момент (H₂O, NH₃, HCl).
- Неполярные — дипольный момент отсутствует (O₂, N₂, CH₄).
По размеру:
- Малые — до 10 атомов (вода, аммиак, метан).
- Средние — от десятков до сотен атомов (бензол, глюкоза).
- Большие — тысячи и более атомов (белки, нуклеиновые кислоты, полимеры).
¶Основные свойства
Молекулы обладают собственной кинетической энергией, которая растёт с повышением температуры. В газообразном состоянии молекулы движутся хаотично, в жидком — совершают колебания и вращения вокруг положения равновесия, в твёрдом — ограничены узлами кристаллической решётки.
Межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи) определяют физические свойства веществ: температуры плавления и кипения, вязкость, поверхностное натяжение. Водородные связи между молекулами воды объясняют аномально высокую температуру кипения H₂O по сравнению с аналогичными гидридами.
¶Молекулы и химическая реакция
В химических реакциях молекулы распадаются на атомы или ионы, которые затем образуют новые связи. Реакция горения метана, например, описывается уравнением:
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
Законы сохранения массы и заряда выполняются на уровне молекул: число атомов каждого элемента в продуктах равно их числу в исходных веществах.
¶Молекулы в живой природе
Биологические молекулы — белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы — образуют основу живых организмов. ДНК и РНК хранят и передают генетическую информацию, белки катализируют биохимические реакции и обеспечивают структуру клеток. Длина молекулы ДНК человека при полном разворачивании достигает около 2 метров, при этом её диаметр составляет всего 2 нанометра.
¶Исследование молекул
Строение молекул изучается методами рентгеноструктурного анализа, ядерно-магнитного резонанса, масс-спектрометрии, электронной микроскопии. Первые прямые изображения отдельных молекул были получены в 2009 году с помощью атомно-силовой микроскопии.
¶Интересные факты
- В 1 кубическом сантиметре воды содержится около 3,3 × 10²² молекул — число, сопоставимое с числом звёзд в наблюдаемой Вселенной.
- Молекула фуллерена C₆₀, открытая в 1985 году, состоит из 60 атомов углерода, расположенных по вершинам футбольного шара.
- Самая тяжёлая стабильная молекула — так называемый «суператом» из тысяч атомов, но в химии наибольшее практическое значение имеют молекулы массой от единиц до нескольких тысяч атомных единиц.
¶Источники
- Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия.
- Глинка Н. Л. Общая химия.
- Смит Дж., Дэвис М. Химия: от базовых принципов к современным приложениям.
- Августинович А. Г. История химии.