Дать определение молекулы. 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.

Молекула (франц. molecule, от лат. moles - масса) - это наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры молекул и, в частности, молекул таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами молекул этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами молекул нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.

Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав молекулы выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих молекулу, а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы. Так, из химической формулы глюкозы С 6 H 12 O 6 следует, что молекула глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые молекулы. Наиболее сложными являются молекулы белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.

Для нахождения химической формулы молекулы необходимо определить приблизительный молекулярный вес (см.) исследуемого вещества и простейшую (эмпирическую) формулу его молекулы. Последнюю выводят из процентного состава данного вещества и атомных весов (см.) химических элементов, входящих в состав этого вещества. Так, например, химическим анализом установлено, что бензол состоит из 92,26% углерода и 7,74% водорода. Отсюда следует, что отношение числа атомов углерода к числу атомов водорода в молекуле бензола равно:

где 12,011 и 1,008 - атомные веса углерода и водорода соответственно. Следовательно, простейшая формула бензола должна быть СН. Сопоставляя простейшую формулу бензола с его приблизительным молекулярным весом (78,1), найденным опытным путем, определяют его действительную, или истинную, формулу С 6 Н 6 .

Размеры молекул выражают в А. Так например, диаметр молекулы воды, предполагая, что она имеет сферическую форму, составляет 3,8 А. Молекулы высокомолекулярных веществ значительно больше, например линейные размеры больших и малых осей палочковидных молекул фибриногена быка равны 700 и 40 А, а вируса табачной мозаики - 2800 и 152 А соответственно. Мерой относительной массы молекулы является молекулярный вес (см.), величина которого колеблется от нескольких единиц до миллионов.

Последовательность, в которой атомы связаны в молекуле (химическое строение молекул по А. М. Бутлерову), изображают так называемыми структурными формулами. Например, химическое строение уксусной кислоты С 2 Н 4 O 2 представляют следующей структурной формулой:

где каждая линия обозначает единицу валентности (см.), число линий, подходящих к атому, равно его валентности в данном соединении.

Химическое строение молекулы, находимое на основании определения молекулярного веса, химического состава и изучения химических свойств исследуемого вещества и окончательно подтверждаемое его синтезом из веществ, химическое строение которых известно, является важным фактором, определяющим свойства вещества, в частности его фармакологическое действие, токсичность и биологические функции. Различие в свойствах изомеров (см. Изомерия) является примером зависимости свойств веществ от химического строения их молекул. Атомный состав молекул изомеров одинаков, так, например, диметиловый эфир и этиловый спирт, будучи изомерами, имеют одинаковые химические формулы С 2 Н 6 O, однако структурные формулы их различны:

чем и объясняются их различные свойства.

Способность атома образовывать то или иное число химических связей с другими атомами в молекулах называют валентностью данного атома. При образовании химической (валентной) связи происходит перегруппировка внешних (валентных) электронов взаимодействующих атомов, в результате которой внешние электронные оболочки атомов в молекуле приобретают устойчивую структуру, свойственную атомам инертных газов (см.) и состоящую обычно из восьми электронов (электронный октет). В зависимости от способа перегруппировки валентных электронов различают несколько основных типов химических связей.

Ионная (электровалентная) связь возникает между атомами элементов, сильно различающихся по химическим свойствам, например между атомами щелочных металлов и атомами галогенов. При этом атом металла отдает электрон атому галогена (рис. 1).

Рис. 1. Образование молекулы хлористого натрия.

Атом, отдающий электрон, становится положительно заряженным ионом. Атом, принимающий электрон, становится отрицательно заряженным ионом. Возникающие таким путем противоположно заряженные ионы взаимно притягиваются, образуя молекулу. Молекулы и соединения с ионными связями (например, соли и окислы металлов первой и второй групп периодической системы элементов) называются гетерополярными. Ионная связь характеризуется большой прочностью (энергия связи), т. е. работой, необходимой для разрыва молекулы на отдельные ионы.

Ковалентная (атомная) связь возникает при взаимодействии одинаковых или близких по свойствам атомов. При этом каждый из соединяющихся атомов отдает по одному или по нескольку валентных электронов на образование пары (или нескольких пар электронов), которая становится общей для обоих атомов. Обобщенная пара электронов, охватывая в своем движении ядра соединяющихся атомов, удерживает их один возле другого. К молекулам с ковалентной связью относятся молекулы простых газов, окислов и водородных соединений не металлов и многих органических соединений:

Точками обозначены электроны, находящиеся на внешних электронных оболочках атомов, химическими знаками - ядра атомов со всеми электронными оболочками, кроме внешних. Пара электронов, связывающих атомы, соответствует валентной черте в обычных структурных формулах.

Молекулы, в которых электрические центры тяжести отрицательных (электроны) и положительных (ядра атомов) зарядов совпадают, называют гомеополярными. К ним относятся, например, молекулы простых газов, углеводородов. Если электрические центры тяжести отрицательных и положительных зарядов в молекулах не совпадают, молекулы называют полярными (например, молекулы воды, аммиака, галогеноводородов, спиртов, кетонов, альдегидов, эфиров). Полярная молекула ведет себя как диполь, т. е. система из двух электрических зарядов е+ и е- , одинаковых по величине, но противоположных по знаку, расположенных на пекотором расстоянии h один от другого (рис. 2).

Рис. 2. Схема диполя.

Произведение e·h=μ называют дипольным моментом молекулы. Последний является мерой полярности молекулы. Вещества, состоящие из полярных молекул, имеют более высокие температуру кипения, теплоемкость, теплоту парообразования и поверхностное натяжение, чем вещества, состоящие из гомеополярных молекул. Взаимодействие между полярными молекулами является одной из причин ассоциации молекул в жидкостях, а взаимодействие полярных молекул растворителя с полярными молекулами или ионами растворенного вещества - сольватации последних. Скорость диффузии полярных молекул через мембрану клеток меньше таковой для гомеополярных молекул.

Координационная (семиполярная, донорно-акцепторная) связь - это разновидность ковалентной связи, возникает между атомами, входящими в состав разных молекул, у одного из которых имеется неподеленная пара электронов, а у другого не хватает двух электронов для образования устойчивой внешней электронной оболочки. Такого рода связи характерны для комплексных соединений. Так, например, соединение молекулы аммиака NH 3 с молекулой фтористого бора BF3 в комплексную молекулу аммиаката фтористого бора осуществляется неподеленной парой электронов азота

Атом азота служит донором, атом бора акцептором электронной пары.

Водородная связь осуществляется между атомом водорода, ковалентно связанным с атомом F, О или N, и атомами F, О или N, находящимися в других молекулах. Прочность водородной связи невелика (5-10 ккал/моль), однако достаточна для образования ассоциаций молекул в жидкостях и растворах. В воде, например, такие ассоциации имеют следующее строение (водородные связи обозначены пунктиром):

Водородные связи возникают не только между молекулами, но и между атомами внутри одной и той же молекулы; это так называемые внутримолекулярные водородные связи (водородные мостики). Примером такой связи может служить водородная связь между атомом водорода и атомом кислорода в молекуле o-метилсалицилата:

Вследствие наличия этой связи свойства o-метилсалицилата резко отличаются от свойств m- и n-изомеров. Наличие водородных мостиков в молекулах нуклеиновых кислот, белков и других полимеров во многом определяет лабильность этих молекул. Водородные связи играют значительную роль в субмикроскопической структуре протоплазмы.

При помощи рентгено-, электроно-, нейтронографии, молекулярной спектроскопии и ядерного магнитного резонанса удалось установить пространственное расположение отдельных атомов в молекуле, т. е. геометрическую конфигурацию молекул ряда веществ, в том числе молекул биологически важных веществ.

Определение пространственной конфигурации молекул слагается из определения так называемые остова молекулы, т. е. пространственного расположения ядер образующих ее атомов, и распределения электронов в пределах данной молекулы.

Остов молекулы находят на основании данных о длине связи и величине валентных углов, определяемых с помощью указанных выше методов. Длина связи представляет собой расстояние между центрами двух атомов в молекуле, связанных друг с другом ковалентной связью. Меньший по величине угол, образуемый прямыми, соединяющими центры двух атомов А 1 и А 2 с центром третьего атома А 3 в данной молекуле, называют валентным углом. Остов молекулы не является абсолютно жестким. Например, в молекулах органических соединений атомы углерода могут вращаться около ординарных (простых) связей, при этом меняется взаимное положение ядер, но остаются постоянными последовательность соединения атомов в молекуле, длина связей и валентные углы. Такие различные формы молекул, возникающие в результате поворота атома углерода вокруг ординарной связи, называют конформациями. Различные конформации одной и той же молекулы легко и обратимо переходят друг в друга, чем объясняются отсутствие изомеров вращения и переход молекул в форму, наиболее соответствующую для протекания той или иной реакции.

Распределение электронов в молекулах находят главным образом с помощью теоретических расчетов, в основе которых лежат два основных принципа квантовой химии. Первый из них утверждает, что электроны в атомах и молекулы могут находиться лишь на дискретных и совершенно определенных энергетических уровнях. Согласно второму принципу электроны в атомах и молекулы нельзя рассматривать как точечные частицы, положение и скорость которых в молекуле (или атоме) можно точно определить для каждого момента времени. В действительности, как учит квантовая механика, можно определить лишь вероятность нахождения электрона в некоторых областях пространства в данный момент времени. Поэтому можно представить, что заряд электрона как бы «размазан» в определенной области пространства в виде электронного облака, распределение которого в пространстве определяется соответствующей математической функцией (называемой волновой функцией электрона или его молекулярной орбиталью (или атомной орбиталью, если его распределение определяют в атоме).

Выло показано, что не все электроны в молекуле одинаково существенны для ее химических свойств. Так, например, в молекуле с большим числом двойных связей, к которым относится подавляющее большинство соединений, играющих доминирующую роль в процессах жизнедеятельности, электроны можно разделить на два типа. К первому типу относятся σ-электроны, участвующие в образовании ординарных связей, ко второму - п-электроны, участвующие в образовании двойных связей. Первые образуют жесткий скелет молекулы и локализованы попарно между соседними атомами. Вторые образуют значительно более расплывчатое облако, охватывающее всю периферию молекулы. В таких молекулах все основные их свойства обусловлены п-электронами, которые более лабильны сравнительно с σ-электронами и поэтому с большей легкостью могут участвовать в различного рода процессах.

Каждый день мы пользуемся какими-нибудь предметами: берем их в руки, совершаем над ними любые манипуляции - переворачиваем, рассматриваем, в конце концов, ломаем. А вы никогда не задумывались о том, из чего состоят эти предметы? "Чего уж здесь думать? Из металла/дерева/пластика/ткани!" - недоуменно ответят многие из нас. Отчасти это правильный ответ. А из чего состоят эти материалы - металл, дерево, пластик, ткань и многие другие вещества? Сегодня мы и обсудим этот вопрос.

Молекула и атом: определение

У знающего человека ответ на него прост и банален: из атомов и молекул. Но некоторые люди озадачиваются и начинают сыпать вопросами: "Что такое атом и молекула? Как они выглядят?" и т.д., и т.п. Ответим на эти вопросы по порядку. Ну, во-первых, что такое атом и молекула? Скажем вам сразу, что эти определения - не одно и то же. И даже более того - это совершенно разные термины. Итак, атом - это самая маленькая часть химического элемента, которая является носителем его свойств, частица вещества мизерных массы и размеров. А молекула - это электрически нейтральная частица, которую образуют несколько соединенных атомов.

Что такое атом: строение

Атом состоит из электронной оболочки и (фото). В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов, а оболочка - из электронов. В атоме протоны заряжены положительно, электроны - отрицательно, а нейтроны вообще не заряжены. Если число протонов соответствует то атом является электронейтральным, т.е. если мы прикоснемся к веществу, образованному из молекул с такими атомами, то не почувствуем ни малейшего электрического импульса. И даже сверхмощные ЭВМ его не уловят по причине отсутствия последнего. Но случается так, что протонов больше, чем электронов, и наоборот. Тогда такие атомы правильнее будет называть ионами. Если в нем больше протонов, то он электрически положительный, если же преобладают электроны - электрически отрицательный. В каждом определенном атоме есть строгое количество протонов, нейтронов и электронов. И его можно высчитать. Шаблон для решения задач по нахождению количества этих частиц выглядит так:

Хим. элемент - R (вставить название элемента)
Протоны (p) - ?
Электроны (е) - ?
Нейтроны (n) - ?
Решение:
р = порядковый № хим. элемента R в периодической системе им Д.И. Менделеева
е = р
n = А r (R) - № R

Что такое молекула: строение

Молекула - это наименьшая частица химического вещества, то есть она уже непосредственно входит в его состав. Молекула определенного вещества состоит из нескольких одинаковых или различных атомов. Особенности строения молекул зависят от физических свойств вещества, в котором они присутствуют. Молекулы состоят из электронов и атомов. Расположение последних можно узнать с помощью структурной формулы. позволяет определить ход химической реакции. Обычно они нейтральные (не имеют электрического заряда), и у них нет неспаренных электронов (все валентности являются насыщенными). Однако они могут быть и заряженными, тогда их правильное название - ионы. Также у молекул могут быть неспаренные электроны и ненасыщенные валентности - в этом случае их называют радикалами.

Заключение

Теперь вы знаете, что такое атом и Все без исключения вещества состоят из молекул, а последние, в свою очередь, построены из атомов. Физические свойства вещества определяют расположение и связь атомов и молекул в нем.

По современным представлениям:

Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Неправильно говорить, что «атом – наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства», т. к. химический элемент – это вид частиц (атомов, ионов, ядер) с определенным зарядом ядра; поэтому элемент не состоит из атомов!

Кроме того, химические свойства – это энергетика и скорость химической реакции, а они зависят не только от состава реагирующей частицы, но и от ее энергетического состояния, геометрической формы и т. п., потому химическими свойствами обладают не атомы (и молекулы), а их совокупности – химические вещества.

Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством химических связей, определяющая состав вещества.

Согласно современным представлениям из молекул состоят вещества в газо- и парообразном состоянии. В твердом состоянии из молекул состоят лишь вещества, кристаллическая решетка которых имеет молекулярную структуру (большинство органических веществ; неметаллы, кроме бора, кремния, аллотропных модификаций углерода; углекислый газ СО 2 ; вода Н 2 О).

Большинство же твердых неорганических веществ не имеет молекулярной структуры: их решетка состоит не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов); они существуют в виде макротел (кристалл NaCl, друза кварца, кусок железа и др.). К веществам немолекулярного строения относятся соли, оксиды металлов, алмаз, кремний, металлы и др.

Химическая связь между молекулами у веществ с молекулярной структурой менее прочная, чем между атомами в молекуле, поэтому их температуры плавления и кипения сравнительно низкие. У веществ с немолекулярной структурой химическая связь между частицами весьма прочная, поэтому их температуры плавления и кипения высокие.

1.3.2. Массы атомов и молекул. Моль

Массы атомов и молекул чрезвычайно малы, поэтому для них используют специальную единицу измерения – атомную единицу массы (сокращенное обозначение «а. е. м.»):

1 а. е. м. = 1,66·10 –27 кг.

Например, абсолютная масса атома алюминия:

m o (Al) = 4,482·10 –26 кг = 27 а. е. м.

Чаще используют безразмерные величины – относительные атомные и молекулярные массы.

Относительная атомная масса A r – число, показывающее, во сколько раз масса данного атома больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

A r (Al) = = 27.

Относительная молекулярная масса M r – число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода 12 С.

Например:

M r (SO 2) = = 64.

Наряду с единицами массы и объема, в химии пользуются также единицей количества вещества, называемой молем (сокращенное обозначение – «моль»).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же структурных единиц (атомов, молекул, ионов, ядер, электронов, радикалов), сколько содержится атомов в 0,012 кг (12 г) углерода 12 C.

В одном моле любого вещества содержится число Авогадро структурных единиц, а именно

N A = 6,02·10 23 моль –1 .

Моль вещества имеет определенную массу (молярную массу) и определенный объем (молярный объем).

Молярная (мольная) масса М – это масса 1 моль вещества, выраженная в единицах массы:

M(Al) = 27 г/моль; M(H 2 SO 4) = 98 г/моль.

Молярный (мольный) объем V m – объем 1 моль вещества, выраженный в единицах объема:

V m (CO 2) = 22,4 л/моль (н. у.) 1 ; V m (H 2 O) = 18 мл/моль.

Пример 1.1 . Во время войны во Вьетнаме (1962–1971 гг.) американские войска широко использовали дефолианты в борьбе с партизанами. Дефолиант «agent orange» (оранжевый реактив) вызывает ускоренное опадание листьев деревьев. Всего над джунглями было распылено 57 тыс. т этого препарата, в котором в виде примеси содержалось до 170 кг диоксина. Сейчас этот дефолиант известен под названием 2,4-D (2,4-дихлорфеноуксусная кислота).Рассчитайте массу одной молекулы дефолианта (молекулярная формула С 8 Н 6 O 3 Cl 2): а) в граммах; б) в атомных единицах массы.

Решение:

а). Для расчета массы молекулы 2,4-дихлорфеноуксусной кислоты необходимо знать ее молярную массу:

М(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 8 · 12 + 6 · 1 + 3 · 16 + 2 · 35,5 = 221 (г/моль).

Рассчитываем количество вещества по следующим формулам:

ν = m / M; ν = N / N A ,

где m – масса, M – молярная масса, N – число атомов или молекул, N A = 6,02·10 23 моль –1 – постоянная Авогадро.

Объединив эти формулы можно выразить массу через число молекул:

Подставляя в полученную формулу N = 1, M = 221 г/моль, N A , находим:

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = = 36,7·10 –23 (г).

б). Абсолютная масса молекулы равна относительной молекулярной массе, умноженной на 1 а. е. м.

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2)

Относительная молекулярная масса численно равна молярной массе:

M r (С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 221;

m(С 8 Н 6 O 3 Cl 2) = 1 а. е. м. · 221 = 221 а. е. м.

Пример 1.2. Сколько молекул содержится в 1 л воды?

Решение. 1. Массу 1 л воды можно вычислить, используя величину плотности (плотность воды при 4С равна 1 г/см 3):

m(H 2 O) = V(H 2 O) · ρ(H 2 O);

V(H 2 O) = 1 л = 1 дм 3 = 1000 см 3 ;

m(H 2 O) = 1000 см 3 · 1 г/см 3 = 1000 г.

2. Дальнейшие рассуждения можно вести двумя способами.

1 способ: по количеству вещества.

Пользуясь формулами ν = m / M и ν = N / N A , находим:

ν(Н 2 О) = m(Н 2 О) / M(Н 2 О); ν(Н 2 О) = 1000 г / 18 г/моль = 55,6 моль.

N(H 2 O) = ν(Н 2 О) · N A ; N(H 2 O) = 55,6 моль · 6,02·10 23 моль –1 = 334,7·10 23 = 3,35·10 25 .

2 способ: с помощью пропорции.

18 г (1 моль) H 2 O содержат 6,02·10 23 молекул;

1000 г Н 2 О содержат N молекул.

N(H 2 O) = 1000 · 6,02·10 23 / 18 = 3,35·10 25 .

Пример 1.3. Вычислите молярный объем алюминия, если его плотность составляет 2,7 г/см 3 .

Решение. Для вычисления молярного объема через плотность вещества необходимо знать его молярную массу:

ρ(Al) = ;V m (Al) = .

V m (Al) = = 10 см 3 /моль = 0,01 л/моль.

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.