Молекула — структурная единица вещества¶

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства; состоит из атомов, связанных химическими связями. Молекулы характерны для веществ с ковалентной связью — газов (водород, кислород, азот), воды, органических соединений. Ионообразные и металлические вещества молекул не имеют: их структура — кристаллические решётки из ионов или атомов.

¶Состав и строение

Молекула состоит из атомов, соединённых общими электронными парами (ковалентная связь). Число атомов в молекуле — от двух (O₂, HCl) до тысяч и миллионов (белки, полимеры). Молекула характеризуется:

• молекулярной формулой — соотношением атомов (H₂O, C₆H₁₂O₆);
• молекулярной массой — суммой масс всех атомов;
• пространственной структурой — взаимным расположением атомов в пространстве.

Пространственная структура определяет свойства вещества. Два вещества с одинаковой молекулярной формулой, но разной структурой, называются изомерами: у них различны физические и химические свойства. Классический пример — этанол C₂H₅OH и диметиловый эфир CH₃OCH₃.

¶История

Понятие молекулы восходит к античной атомистике, но в научный оборот термин ввёл Амедео Авогадро в 1811 году, предложив гипотезу о равенстве чисел молекул в равных объёмах газов при одинаковых условиях. Понятие долго оставалось гипотетическим: до работ Авогадро химики не различали атом и молекулу.

В 1860 году на первом Международном конгрессе химиков в Карлсруэ Станиславо Канницаро предложил различать атомную и молекулярную массы, что упорядочило атомные массы элементов. Экспериментальное подтверждение существования молекул дал Альберт Майкельсон в 1890-х годах, измеривший размеры молекул по диффузии. В 1905 году Альберт Эйнштейн теоретически описал броуновское движение как результат столкновений с молекулами; опыты Жана Перрена в 1908–1909 годах подтвердили гипотезу и позволили оценить число Авогадро.

¶Классификация

По составу молекулы делятся на:

• простые — из атомов одного элемента (H₂, O₂, O₃, S₈);
• сложные — из атомов разных элементов (H₂O, CO₂, NH₃).

По размеру:

• малые — до 10 атомов (вода, метан);
• полимерные — тысячи и миллионы повторяющихся звеньев (ДНК, белки, синтетические полимеры).

¶Физические свойства

Молекулы находятся в непрерывном движении — тепловом, характер которого зависит от температуры. В газообразном состоянии молекулы разобщены и движутся хаотично; в жидком — близко друг к другу, но сохраняют подвижность; в твёрдом кристаллическом состоянии колеблются вокруг узлов решётки.

Межмолекулярные силы (ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи) определяют физические свойства вещества — температуру кипения, вязкость, растворимость. Водородные связи между молекулами воды объясняют аномально высокую для её молярной массы температуру кипения (100 °C) и низкую плотность льда.

¶Химическая связь и реакции

Ковалентная связь в молекуле образуется путём объединения неспаренных электронов атомов. Она бывает полярной (в HCl, H₂O) и неполярной (в H₂, O₂). Полярность связей и молекулы в целом определяет способность вещества растворяться в полярных и неполярных растворителях (правило «подобное растворяется подобным»).

В химических реакциях молекулы распадаются на атомы или фрагменты, которые перегруппируются и образуют новые молекулы. Скорость реакции зависит от числа столкновений молекул и их энергии — теория столкновений, развитая в XX веке.

¶Молекулы в живой природе

Биологические молекулы — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды — выполняют структурные, каталитические, транспортные и генетические функции. ДНК хранит генетическую информацию в последовательности нуклеотидов; ферменты-белки ускоряют биохимические реакции в тысячи раз. Молекулярная биология изучает эти процессы на уровне отдельных молекул.

¶Методы исследования

Строение молекул определяют спектральными методами (ИК-, УФ-, ЯМР-спектроскопия), рентгеноструктурным анализом, электронной микроскопией. В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер создали туннельный микроскоп, позволивший визуализировать отдельные атомы и молекулы на поверхности твёрдых тел.

¶Интересные факты

В одной капле воды содержится около 1,5·10²¹ молекул. Число Авогадро (6,022·10²³) показывает, сколько молекул в одном моле вещества. Молекула воды — один из самых изученных объектов химии: её свойства объясняют поведение растворов, климат Земли и биологические процессы.

¶Источники

• Лекции по общей химии. Учебные пособия ведущих российских вузов (МГУ, СПбГУ, МГТУ им. Баумана)
• Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия»
• Стадницкий Г. В., Токарева Р. А. «Курс общей химии»
• Хомченко Г. П. «Химия для поступающих в вузы»
• Энциклопедический словарь по химии