Молекула

Определение "Молекула" в Большой Советской Энциклопедии

Потенциальная энергия двухатомной молекулы

Молекула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса), наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекула состоит из атомов, точнее — из атомных ядер, окружающих их внутренних электронов и внешних валентных электронов, образующих химические связи (см. Валентность). Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул данного вещества не зависят от способа его получения. В случае одноатомных молекул (например, инертных газов) понятия Молекула и атома совпадают.

Структуры простых молекул

Впервые понятие о Молекула было введено в химии в связи с необходимостью отличать Молекула как наименьшее количество вещества, вступающее в химические реакции, от атома как наименьшего количества данного элемента, входящего в состав Молекула (Международный конгресс в Карлсруэ, 1860). Основные закономерности строения Молекула были установлены в результате исследования химических реакций, анализа и синтеза химических соединений, а также благодаря применению ряда физических методов.

Атомы объединяются в Молекула в большинстве случаев химическими связями. Как правило, такая связь создаётся одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома. Молекула может содержать положительно и отрицательно заряженные атомы, т. е. ионы; в этом случае реализуются электростатические взаимодействия. Помимо указанных, в Молекула существуют и более слабые взаимодействия между атомами. Между валентно не связанными атомами действуют силы отталкивания.

Состав Молекула выражают формулами химическими. Эмпирическая формула (например, С₂Н₆О для этилового спирта) устанавливается на основании атомного соотношения содержащихся в веществе элементов, определяемого химическим анализом, и молекулярной массы.

  Развитие учения о структуре молекул неразрывно связано с успехами прежде всего органической химии. Теория строения органических соединений, созданная в 60-х гг. 19 в. трудами А. Молекула Бутлерова, Ф. А. Кекуле, А. С. Купера и др., позволила представить строение молекул структурными формулами или формулами строения, выражающими последовательность валентных химических связей в Молекула При одной и той же эмпирической формуле могут существовать Молекула разного строения, обладающие различными свойствами (явление изомерии). Таковы, например, этиловый спирт С₅Н₅ОН и диметиловый эфир (СН₃)₂О. Структурные формулы этих соединений разнятся:

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

В физике понятие о Молекула оказалось необходимым для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Прямое экспериментальное доказательство существования Молекула впервые было получено при изучении броуновского движения (французский физик Ж. Перрен, 1906).

В твёрдом теле Молекула могут сохранять или не сохранять свою индивидуальность. Так, большинство Молекула органических соединений образует молекулярные кристаллы, в узлах решёток которых находятся Молекула, связанные одна с другой относительно слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Напротив, в ионных (например, в случае NaCI) и атомных (алмаз) кристаллах нет отдельных Молекула и весь кристалл подобен одной Молекула (см. Кристаллохимия). Структура Молекула может изменяться при переходе от кристалла к газу. Так, N₂O₅ в газе состоит из единых Молекула, в кристалле — из ионов NO₂⁺ и NO₃^- ; газообразный PCI₅ — из Молекула с конфигурацией тригональной бипирамиды, твёрдый — из октаэдрического иона PCl₆^- и тетраэдрического иона PCl₄⁺.

Равновесные межъядерные расстояния r₀ и энергии диссоциации D (при 25°С) некоторых двухатомных молекул

Молекула	r0, Ǻ	D, кдж/моль (ккал/моль)	Молекула	r0, Ǻ	D,Кдж/моль (ккал/моль)
H2	0,74	426,5 (104,18)	Br2	2,14	192,7 (46)
Li2	2,67	104,7 (25)	I2	2,67	147,1 (35,1)
N2	1,09	94,3 (22,5)	LiH	1,59	243 (58)
O2	1,21	495,7 (118,3)	NaH	1,89	196,9 (47)
F2	1,48	155 (37)	HhF	0,92	565,6 (135)
Na2	3,08	78,5 (17,3)	HCl	1,27	431,6 (103)
Cl2	1,99	242,6 (57,9)	HI	1,60	264 (63)

  Строение молекул. Геометрическая структура Молекула 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 атомов действуют электростатические силы отталкивания атомных ядер; препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек. На рис. 1 показана зависимость потенциальной энергии двухатомной Молекула от межъядерного расстояния r. Эта энергия минимальна при равновесном расстоянии r₀, стремится к нулю при r ® ¥ и возрастает до ¥ при r ® 0. Разность энергий при r = r₀ и r ® ¥ характеризует энергию связи, энергию диссоциации D. Равновесные расстояния r₀ в двухатомных и многоатомных Молекула и, следовательно, расположение атомных ядер в Молекула определяются методами спектроскопии, рентгеновского структурного анализа и электронографии, а также нейтронографии, позволяющими получить сведения и о распределении электронов (электронной плотности) в Молекула Рентгенографическое изучение молекулярных кристаллов даёт возможность установить геометрическое строение очень сложных Молекула, вплоть до Молекула белков. Косвенную, но весьма детальную информацию о строении сложных Молекула получают различными спектроскопическими методами, в особенности с помощью спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Геометрия простых Молекула, содержащих малое число атомов, также эффективно исследуется методами спектроскопии. Расстояния (в Ǻ) между 2 данными валентно связанными атомами приблизительно постоянны в Молекула различных соединений, они уменьшаются с увеличением кратности связи:

C—C…………….	1,54	C—F……………..	1,39
C=C……………...	1,34	C—Cl…………….	1,77
C- - -C (в бензоле)...	1,39	C—Br…………….	1,92
CºC……………...	1,2	C—I………………	2,1
C—H……………..	1,09	C—S……………..	1,82
C—O……………..	1,42	O—H…………….	0,96
C=O……………...	1,21	N—H……………..	1,01
C—N……………..	1,46	S—H……………..	1,35

Можно приписать каждому атому в данном валентном состоянии в М определённый атомный, или ковалентный, радиус (в случае ионной связи — ионный радиус, см. Атомные радиусы, Ионные радиусы), характеризующий размеры электронной оболочки атома (иона), образующего химическую связь в Молекула Представление о приблизительном постоянстве этих радиусов оказывается полезным при оценке межатомных расстояний и, следовательно, при расшифровке структуры Молекула Длина связи представляет собой сумму соответствующих атомных радиусов.

Размер Молекула как целого, т. с. размер её электронной оболочки, есть величина до некоторой степени условная — имеется отличная от нуля, хотя и весьма малая, вероятность найти электроны Молекула и на большом расстоянии от её атомных ядер. Практически размеры Молекула определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке Молекула в молекулярном кристалле и в жидкости. На больших расстояниях Молекула притягиваются одна к другой, на меньших — отталкиваются. Размеры Молекула поэтому можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов, порядок величины этих размеров может быть определён из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и из плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы, принадлежащие одной и той же Молекула или различным Молекула, может быть охарактеризовано средними значениями т. н. ван-дер-ваальсовых радиусов (в Ǻ):

H……...	1,0-1,2	S………	1,9
C……...	1,75-2,0	Se……..	1,0
N……...	1,5	Te……..	2,2
P………	1,9	F………	1,4
As……..	2,0	Cl……...	1,8
Sb……..	2,2	Br……...	2,0
O………	1,4	I……….	2,2

  Ван-дер-ваальсовы радиусы существенно превышают ковалентные. Зная величины ван-дер-ваальсовых, ковалентных, а также ионных радиусов, можно построить наглядные модели Молекула, отражающие форму и размеры их электронных оболочек (рис. 2).

Ковалентные химические связи в Молекула расположены под определёнными углами, зависящими от состояния гибридизации атомных орбиталей (см. Валентность). Так, для Молекула насыщенных органических соединений характерно тетраэдрическое расположение связей, образуемых атомом углерода; для Молекула с двойной связью (С=С) — плоское расположение связей атомов углерода; в Молекула соединений с тройной связью (СºС) — линейное расположение связей:

Таким образом, многоатомная Молекула обладает определённой конфигурацией в пространстве, т. е. определённой геометрией 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, представляющих зеркальные отражения одна другой (зеркальные антиподы, или стереоизомеры, см. Изомерия). Все важнейшие биологически функциональные вещества в живой природе фигурируют в форме одного определённого стерсоизомера.

Молекула, содержащие единичные связи, или сигма-связи, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп вокруг единичных связей. Важные особенности макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.

Взаимодействие атомов в молекуле. Природа химических связей в Молекула оставалась загадочной вплоть до создания квантовой механики — классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были созданы В. Гейтлером и немецким учёным Ф. Лондоном в 1927 на примере простейшей молекулы Н₂. В дальнейшем теория и методы расчёта были значительно усовершенствованы, в частности на основе широкого применения молекулярных орбиталей метода, и квантовая химия позволяет вычислять межатомные расстояния, энергии Молекула, энергии химических связей и распределение электронной плотности для сложных Молекула; при этом расчётные данные хорошо согласуются с экспериментальными.

Химические связи в Молекула подавляющего числа органических соединений являются ковалентными. Напротив, в ряде неорганических соединений существуют ионные, а также донорно-акцепторные связи (см. Химическая связь), реализуемые в результате обобществления неподелённой пары электронов данного атома. Энергия образования Молекула из атомов во многих рядах сходных соединений приближённо аддитивна. Иными словами, в этих случаях можно считать, что энергия Молекула есть сумма энергии её связей, имеющих постоянные значения в рассматриваемом ряду. Отсюда следует практическая возможность приписать химическим связям приближённо автономные электронные оболочки.

Аддитивность энергии Молекула выполняется не всегда. Яркий пример нарушения аддитивности представляют плоские Молекула органических соединений с т. н. сопряжёнными связями, т. е. с кратными связями, чередующимися с единичными. В этих случаях валентные электроны, определяющие кратность связей, т. н. p-электроны, становятся общими для всей системы сопряжённых связей, делокализованными. Такая делокализация электронов приводит к дополнительной стабилизации Молекула Например, энергия образования Молекула 1,3-бутадиена Н₂С=CH—CH=CH₂ больше ожидаемой по аддитивности на 16,8 кдж/моль (на 4 ккал/моль). Выравнивание электронной плотности вследствие обобществления p-электронов по связям выражается в удлинении двойных связей и укорочении единичных. В правильном шестиугольнике межуглеродных связей и бензола (см. формулу) все связи одинаковы и имеют длину, промежуточную между длиной единичной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах (см. ниже).

Современная квантовомеханическая теория химической связи учитывает частичную делокализацию не только p-, но и s-электронов, наблюдающуюся в любых молекулах. Вообще говоря, это не нарушает аддитивности энергий молекул.

В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в Молекула равен нулю, т. е. спины электронов попарно насыщены. Молекула, содержащие неспаренные электроны — радикалы свободные (например, атомный водород 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 свободных радикалов является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).

Электрические и оптические свойства молекул. Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками Молекула — постоянным дипольным моментом и поляризуемостью. Дипольный момент означает несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов в Молекула, т. е. электрическую асимметрию Молекула Соответственно Молекула, имеющие центр симметрии, например H₂, лишены постоянного дипольного момента; напротив, в HCl электроны смещены к атому Cl и дипольный момент равен 1,03 D (1,03×10^-18 ед. СГС). Поляризуемостью характеризуется способность электронной оболочки любой Молекула смещаться под действием электрического поля, в результате чего в Молекула создаётся индуцированный дипольный момент. Значения дипольного момента и поляризуемости находят экспериментально с помощью измерений диэлектрической проницаемости. В случае аддитивности свойств Молекула дипольный момент Молекула может быть представлен суммой дипольных моментов связей (с учётом их направления), то же относится к поляризуемости Молекула

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны — тем самым они определяются поляризуемостью Молекула вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой — разделом физической оптики, посвященным изучению оптических свойств вещества.

Магнитные свойства молекул. Молекула и макромолекулы подавляющего большинства химыических соединений диамагнитны (см. Диамагнетизм). Магнитная восприимчивость Молекула (c) в ряде органических соединений может быть выражена как сумма значений c для отдельных связей; однако аддитивность c выполняется хуже, чем аддитивность поляризуемостей a. И c, и a определяются свойствами внешних электронов Молекула; эти две величины связаны одна с другой.

Парамагнитны Молекула, обладающие постоянным магнитным моментом (см. Парамагнетизм). Таковы Молекула с нечётным числом электронов во внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), Молекула, содержащие атомы с незамкнутыми (незаполненными) внутренними оболочками (переходные металлы и др.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, т. к. тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле. Строение парамагнитных Молекула эффективно изучается методом ЭПР.

Атомные ядра элементов, у которых атомный номер или массовое число нечётны, обладают ядерным спиновым парамагнетизмом. Для таких ядер характерен ядерный магнитный резонанс (ЯМР), спектр которого зависит от электронного окружения ядер в Молекула Поэтому спектры ЯМР служат источником очень подробной информации о строении Молекула, в том числе и весьма сложных, например белков (см. также Ядерный квадрупольный резонанс, Магнетизм, Магнетохимия).

  Спектры и строение молекул. Электрические, оптические, магнитные и другие свойства Молекула в конечном счёте связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний Молекула; через них выражаются и электрический дипольный момент, и магнитный момент, и поляризуемость, и магнитная восприимчивость. Прямую информацию о состояниях Молекула и вероятностях перехода между ними дают молекулярные спектры.

  Частоты в спектрах, соответствующих вращательным переходам, зависят от моментов инерции Молекула, определение которых из спектроскопических данных позволяет получить наиболее точные значения межатомных расстояний в Молекула

Общее число линий или полос в колебательном спектре Молекула зависит от её симметрии. Частоты колебаний, наблюдаемые в спектрах, определяются, с одной стороны, массами атомов и их расположением, с другой — динамикой межатомных взаимодействий. Теория колебаний многоатомных Молекула соответственно опирается на теорию химического строения и классическую механику связанных колебаний. Исследование колебательных спектров позволяет сделать ряд выводов о строении Молекула, о межатомных и межмолекулярных взаимодействиях, изучать явления таутомерии, поворотной изомерии.

Электронные переходы в Молекула характеризуют структуру их электронных оболочек, состояние химических связей. Спектры Молекула, обладающих большим числом сопряжённых связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, построенные из таких Молекула, обладают цветностью, к ним относятся все органические красители. Изучение электронно-колебательных спектров Молекула необходимо для понимания естественной и магнитной оптической активности.

Молекулы в химии, физике и биологии. Понятие о Молекула — основное для химии, и большей частью сведений о строении и функциональности Молекула наука обязана химическим исследованиям. При химической реакции происходит превращение одних Молекула в другие. Для такого превращения обычно необходима некоторая избыточная энергия Молекула — энергия активации (см. Кинетика химическая). В акте химического взаимодействия Молекула проходят через конфигурацию т. н. активированного комплекса, или переходного состояния Молекула Характер и скорость химической реакции определяются этим состоянием, в свою очередь зависящим от строения взаимодействующих Молекула Химия решает две главные задачи, относящиеся к Молекула, — устанавливает строение Молекула на основании химических реакций и, наоборот, на основе строения Молекула определяет ход реакций. Широкая совокупность важнейших проблем современной химии, в том числе и нерешённых, сводится к теории химической реакционной способности. Исследование этих проблем требует применения как теоретических методов квантовой химии, так и экспериментальных данных, получаемых химическими и физическими методами.

Физические явления, определяемые строением и свойствами Молекула, изучаются молекулярной физикой. Термодинамические свойства любого вещества, построенного из Молекула, в конечном счёте выражаются через значения энергий всех возможных состояний Молекула, находимых из спектроскопических данных. Строение Молекула и межмолекулярные взаимодействия ответственны за равновесные свойства вещества. То же относится к неравновесным, кинетическим, свойствам. Установление равновесия требует некоторого времени — времени релаксации. При быстрых изменениях состояния вещества равновесие может не успеть установиться. Эти явления наблюдаются, например, при прохождении ультразвука через вещество и сказываются на поглощении и дисперсии звуковых волн (см. Молекулярная акустика). Равновесие устанавливается в результате взаимодействия Молекула при их соударениях в газе и жидкости, в результате поглощения и излучения света и т. д. Время релаксации Молекула в конденсированной среде существенно зависит от температуры, с ростом которой увеличивается подвижность Молекула В ряде случаев Молекула в жидкости практически утрачивают свою подвижность ещё до кристаллизации: происходит стеклование вещества. Подвижностью Молекула определяются способность веществ к диффузии, их вязкость, теплопроводность и т. д. Непосредственное изучение подвижности Молекула, определение времён релаксации проводятся методами поглощения и дисперсии электромагнитных волн, ЯМР, ЭПР и другими способами.

Равновесные и кинетические свойства больших цепных Молекула, образующих полимеры (см. Макромолекула), специфичны. Особенности поведения макромолекул определяются прежде всего их гибкостью — способностью находиться в большом числе различных конформаций, возникающих в результате поворотов вокруг единичных связей.

Развитие биологии, химии и молекулярной физики привело к построению молекулярной биологии, исследующей основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных Молекула Организм существует на основе тонко сбалансированных химических и нехимических взаимодействий между Молекула Таким образом, изучение строения и свойств Молекула имеет фундаментальное значение для естествознания в целом.

Лит.: Сыркин Я. К., Дяткина Молекула Е., Химическая связь и строение молекул, Молекула — Л., 1946; Паулинг Л., Природа химической связи, пер. с англ., Молекула — Л., 1947; Волькенштейн Молекула В., Строение и физические свойства молекул, Молекула — Л., 1955; его же, Молекулы и жизнь, Молекула, 1965; его же, Перекрёстки науки, Молекула, 1972; Кондратьев В. Н., Структура атомов и молекул, 2 изд., Молекула, 1959; Козман У., Введение в квантовую химию, пер. с англ., Молекула, 1960; Слэтер Дж., Электронная структура молекул, пер. с англ., Молекула, 1965.
  Молекула В. Волькенштейн.

U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния r (r0 — равновесное расстояние, D — энергия диссоциации, 0, 1, 2, ... — уровни энергии колебаний)." href="/a_pictures/18/10/227527454.jpg">U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния r (r0 — равновесное расстояние, D — энергия диссоциации, 0, 1, 2, ... — уровни энергии колебаний)."http://uranium.atomistry.com/">U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния r (r0 — равновесное расстояние, D — энергия диссоциации, 0, 1, 2, ... — уровни энергии колебаний)." src="a_pictures/18/10/th_227527454.jpg">
Рис. 1. Зависимость потенциальной энергии U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния r (r0 — равновесное расстояние, D — энергия диссоциации, 0, 1, 2, ... — уровни энергии колебаний).