Как понять что состоит из молекул. Масса и размер молекул. Молекула и атом: определение

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

Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.

Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10 -8 см.

Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%).

Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Моль вещества

Массы отдельных молекул и атомов очень малы, поэтому в расчётах удобнее использовать не абсолютные значения масс, а относительные.

Относительная молекулярная масса (или относительная атомная масса ) вещества М r – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.

М r = (m 0) : (m 0C / 12)

где m 0 – масса молекулы (или атома) данного вещества, m 0C – масса атома углерода.

Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.

Атомная единица массы – это 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Точные измерения показали, что атомная единица массы составляет 1,660*10 -27 кг, то есть

1 а.е.м. = 1,660 * 10 -27 кг

Относительная молекулярная масса вещества может быть вычислена путём сложения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества. Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

В периодической системе Д.И. Менделеева для каждого элемента указана атомная масса , которая измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, атомная масса магния равна 24,305 а.е.м., то есть магний в два раза тяжелее углерода, так как атомная масса углерода равна 12 а.е.м. (это следует из того, что 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода, который составляет большую часть атома углерода).

Зачем измерять массу молекул и атомов в а.е.м., если есть граммы и килограммы? Конечно, можно использовать и эти единицы измерения, но это будет очень неудобно для записи (слишком много чисел придётся использовать для того, чтобы записать массу). Чтобы найти массу элемента в килограммах, нужно атомную массу элемента умножить на 1 а.е.м. Атомная масса находится по таблице Менделеева (записана справа от буквенного обозначения элемента). Например, вес атома магния в килограммах будет:

m 0Mg = 24,305 * 1 a.e.м. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг

Массу молекулы можно вычислить путём сложения масс элементов, которые входят в состав молекулы. Например, масса молекулы воды (Н 2 О) будет равна:

m 0Н2О = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10 -27 кг

Моль равен количеству вещества системы, в которой содержится столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода С 12 . То есть, если у нас есть система с каким-либо веществом, и в этой системе столько же молекул этого вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода, то мы можем сказать, что в этой системе у нас 1 моль вещества .

Постоянная Авогадро

Количество вещества ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.

ν = N / N A

где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело.

N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях.

Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856).

В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.

N A = 6,02 * 10 23 моль -1

Молярная масса – это масса вещества, взятого в количестве одного моля:

μ = m 0 * N A

где m 0 – масса молекулы.

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1).

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:

μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]

Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:

m = m 0 N = m 0 N A ν = μν

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:

ν = m / μ

Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:

m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

Более точное определение массы атомов и молекул достигается при использовании масс-спректрометра – прибора, в котором происходит разделение пучком заряженных частиц в пространстве в зависимости от их массы заряда при помощи электрических и магнитных полей.

Для примера найдём молярную массу атома магния. Как мы выяснили выше, масса атома магния равна m0Mg = 40,3463 * 10 -27 кг. Тогда молярная масса будет:

μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 кг/моль

То есть в одном моле «помещается» 2,4288 * 10 -2 кг магния. Ну или примерно 24,28 грамм.

Как видим, молярная масса (в граммах) практически равна атомной массе, указанной для элемента в таблице Менделеева. Поэтому когда указывают атомную массу, то обычно делают так:

Атомная масса магния равна 24,305 а.е.м. (г/моль).

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:

m = ν · M = .

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.

Когда два или более атома вступают в химические связи друг с другом, возникают молекулы. При этом не имеет значения, являются ли эти атомы одинаковыми или они вовсе отличаются друг от друга как по форме, так и по своему размеру. Мы с вами разберемся, какова величина молекул и от чего это зависит.

Что такое молекулы?

На протяжении тысячелетий ученые размышляли о тайне жизни, о том, что именно происходит при ее зарождении. Согласно самым древним культурам, жизнь и все-все в этом мире состоит из основных элементов природы - земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако со временем многие философы начали выдвигать идею, что все вещи состоят из крошечных, неделимых вещей, которые не могут быть созданы и уничтожены.

Однако только после появления атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые в совокупности, породили основные строительные блоки всех вещей. Так появился термин, который в контексте современной теории частиц относится к мельчайшим единицам массы.

По своему классическому определению, молекула - это наименьшая частица вещества, которая помогает сохранять его химические и физические свойства. Она состоит из двух или более атомов, а также групп одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.

Какова величина молекул? В 5 классе природоведение (школьный предмет) дает лишь общее представление о размерах и формах, более подробно этот вопрос изучается в старших классах на уроках химии.

Примеры молекул

Молекулы могут быть простыми или сложными. Вот некоторые примеры:

• H 2 O (вода);
• N 2 (азот);
• O 3 (озон);
• CaO (оксид кальция);
• C 6 H 12 O 6 (глюкоза).

Молекулы, состоящие из двух или более элементов, называются соединениями. Так, вода, оксид кальция и глюкоза являются составными. Не все соединения являются молекулами, но все молекулы являются соединениями. Насколько большими они могут быть? Какова величина молекулы? Известен тот факт, что почти все вокруг нас состоит из атомов (кроме света и звука). Их общий вес и будет составлять массу молекулы.

Молекулярная масса

Говоря о том, какова величина молекул, большинство ученых отталкиваются от молекулярной массы. Это общий вес всех входящих в нее атомов:

• Вода, состоящая из двух атомов водорода (имеющих по одной единице атомной массы) и одного атома кислорода (16 единиц атомной массы), имеет молекулярный вес 18 (точнее, 18,01528).
• Глюкоза имеет молекулярную массу 180.
• ДНК, которая является очень длинной, может иметь молекулярную массу, которая составляет около 1010 (приблизительный вес одной человеческой хромосомы).

Измерение в нанометрах

В дополнение к массе мы также можем измерить, какова величина молекул в нанометрах. Единица воды составляет около 0,27 Нм в поперечнике. ДНК достигает 2 Нм в поперечнике и может растягиваться до нескольких метров в длину. Трудно себе представить, как такие размеры могут умещаться в одной клетке. Соотношение длины и толщины ДНК удивительно. Оно составляет 1/100 000 000, это как человеческий волос с длиной в футбольное поле.

Формы и размеры

Какова величина молекул? Они бывают разных форм и размеров. Вода и углекислый газ при этом являются одними из самых маленьких, белки - одними из самых больших. Молекулы - это элементы, состоящие из атомов, которые связаны друг с другом. Понимание внешнего вида молекул традиционно является частью химии. Помимо их непостижимо странного химического поведения, одной из важных характеристик молекул является их размер.

Где может быть особенно полезным знание о том, какова величина молекул? Ответ на этот и многие другие вопросы помогает в сфере нанотехнологий, так как концепция нанороботов и интеллектуальных материалов обязательно имеет дело с эффектами молекулярных размеров и форм.

Какова величина молекул?

В 5 классе природоведение по этой теме дает только общую информацию, что все молекулы состоят из атомов, которые находятся в постоянном беспорядочном движении. В старших классах можно уже увидеть структурные формулы в учебниках химии, которые напоминают действительную форму молекул. Однако невозможно измерить их длину с помощью обычной линейки, а чтобы это сделать, нужно знать, что молекулы представляют собой трехмерные объекты. Их изображение на бумаге является проекцией на двумерную плоскость. Длина молекулы изменяется с помощью связей длин ее углов. Существуют три основных:

• Угол тетраэдра 109°, когда все связи этого атома со всеми другими атомами являются одинарными (только одно тире).
• Угол шестиугольника 120°, когда один атом имеет одну двойную связь с другим атомом.
• Угол линии 180°, когда атом имеет либо две двойные связи, либо одну тройную с другим атомом.

Реальные углы часто отличаются от этих углов, так как необходимо учитывать целый ряд разнообразных эффектов, в том числе электростатические взаимодействия.

Как представить себе размер молекул: примеры

Какова величина молекул? В 5 классе ответы на этот вопрос, как мы уже говорили, носят общий характер. Школьники знают, что размер названных соединений очень маленький. Вот, например, если превратить молекулу песка в одной единственной песчинке в целую песчинку, то под получившейся массой можно было бы спрятать дом в пять этажей. Какова величина молекул? Краткий ответ, которой также является и более научным, имеет следующий вид.

Молекулярная масса приравнивается к отношению массы всего вещества к количеству молекул в веществе или отношению молярной массы к постоянной Авогадро. Единицей измерения является килограмм. В среднем молекулярная масса составляет 10 -23 -10 -26 кг. Возьмем, например, воду. Ее молекулярная масса будет 3 х 10 -26 кг.

Как размер молекулы влияет на силы притяжения?

Ответственной за притяжение между молекулами является электромагнитная сила, которая проявляется через притяжение противоположных и отталкивание подобных зарядов. Электростатическая сила, которая существует между противоположными зарядами, доминирует во взаимодействиях между атомами и между молекулами. Гравитационная сила настолько мала в этом случае, что ею можно пренебречь.

При этом размер молекулы влияет на силу притяжения через электронное облако случайных искажений, возникающих при распределении электронов молекулы. В случае неполярных частиц, проявляющих только слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия или дисперсионные силы, размер молекул оказывает прямое влияние на величину электронного облака, окружающего указанную молекулу. Чем она больше, тем больше и заряженное поле, которое ее окружает.

Большее электронное облако означает, что между соседними молекулами может происходить больше электронных взаимодействий. В результате одна часть молекулы развивает временный положительный частичный заряд, а другая - отрицательный. Когда это происходит, молекула может поляризовать электронное облако у соседней. Притяжение происходит потому, что частичная положительная сторона одной молекулы притягивается к частичной отрицательной стороне другой.

Заключение

Итак, какова величина молекул? В природоведении, как мы выяснили, можно найти лишь образное представление о массе и размерах этих мельчайших частиц. Но мы знаем, что есть простые и сложные соединения. И ко вторым можно отнести такое понятие, как макромолекула. Это очень большая единица, например белок, которая обычно создается путем полимеризации меньших субъединиц (мономеров). Они обычно состоят из тысяч атомов или более.

Молекулы с мультиплетностью , отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) - радикалами .

Молекулы относительно высокой молекулярной массы , состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами .

С точки зрения квантовой механики молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой.

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества , состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).

Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Молекула. Атом. Вещество

✪ Видеоурок "Объяснение электрических явлений"

✪ Строение атома. Объяснение электрических явлений | Физика 8 класс #10 | Инфоурок

✪ Урок 151. Средняя кинетическая энергия молекул многоатомного газа

✪ Что такое атом?

Субтитры

История

На международном съезде химиков в Карлсруэ в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Молекула была определена как наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Классическая теория химического строения

В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями , при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качестве критерия индивидуальности молекулы не учитываются.

Центральным положением классической теории является положение о химической связи, при этом допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда - четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами - как, например, мостиковых атомов водорода в боранах , природа химической связи в классической теории не рассматривается - учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные углы , диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии .

Таким образом, молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов .

Молекула состоит из атомов, а если точнее, то из атомных ядер, окруженных определенным числом внутренних электронов, и внешних валентных электронов, образующих химические связи. Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул вещества не зависят от способа его получения.

Атомы объединяются в молекуле в большинстве случаев с помощью химических связей. Как правило, такая связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов, образуя общее электронное облако, форма которого описывается типом гибридизации. Молекула может иметь положительно и отрицательно заряженные атомы (ионы).

Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы .

Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю. Если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи), при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.

Каждому атому в определенном валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный, или ковалентный радиус (в случае ионной связи - ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона) образующего химическую связь в молекуле. Размер электронной оболочки молекулы, является условной величиной. Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомного ядра. Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости . На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших - отталкиваются. Размеры молекулы можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определен из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одного и того же или разных молекул, может быть охарактеризована средними значениями так называемых ван дер ваальсовых радиусов (Ǻ).

Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван дер ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.

Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырехгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью (С = С) - плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью (С º С) - линейное расположение связей. Таким образом, многоатомная молекула имеет определенную конфигурацию в пространстве, то есть определенную геометрию расположения связей, которая не может быть изменена без их разрыва. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, или стереоизомеры). Все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определенного стереоизомера.

Квантохимическая теория химического строения

В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. При этом в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы принимается конфигурация с наинизшей энергией, то есть основное энергетическое состояние.

Представление структуры молекул

Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, расположение последних в молекуле передаёт структурная формула (для передачи состава используется т. н. брутто-формула). Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.

Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии , аппарат которых активно использует достижения квантовой физики , в том числе релятивистских её разделов. Также в настоящее время развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает колоссальным набором средств: электронная спектроскопия , колебательная спектроскопия , ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, как то: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов .

Взаимодействие атомов при образовании молекулы

Природа химических связей в молекуле оставалась загадкой до создания квантовой механики - классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были заложены в 1927 году Гайтлером и Лондоном на примере простейшей молекулы Н 2 . Позже, теория и методы расчетов были значительно усовершенствованы.

Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений является ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома. Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближенно аддитивна. То есть можно считать, что энергия молекулы - это сумма энергий её связей, имеющих постоянные значения в таких рядах.

Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряженными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с единичными. Сильная делокализация p-состояний электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации p-состояний электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинении одинарных. В правильном шестиугольнике межуглеродных связей бензола все связи одинаковы и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах. Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает делокализации не только p-, но и s-состояний электронов, которая наблюдается в любых молекулах.

В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равен нулю. Молекулы, содержащие неспаренные электроны - свободные радикалы (например, атомный водород Н, метил ·CH 3), обычно неустойчивы, поскольку при их взаимодействии друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей .

Межмолекулярное взаимодействие

Спектры и строение молекул

Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.

Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых с спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей . Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.

Молекулы в химии, физике и биологии

Понятие молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы, определяет каким будет ход реакций.

Строением и свойствами молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятие молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии , её вязкость, теплопроводность и т. д. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Жаном Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения .

Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированного химического и нехимического взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.

Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии , которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.