Молекула. Строение и типы химических связей

Молекула — совокупность двух или более атомов, образующих наименьшее целое, на которое можно разделить чистое вещество, сохраняя при этом состав и его химические свойства (способность вступать в соединения, вкусовые свойства, свойства растворимости).

Молекула является одной из фундаментальных концепций современной науки. Впервые ввели эту концепцию европейские учёные в 1860 году, что послужило основой для развития химии, физики и ряду других естественных наук.

Содержание:

Молекула, по самому общему определению, — это частица, сформированная из нескольких (двух и более) атомов, связанных друг с другом ковалентной связью. Она не имеет электрического заряда, и все электроны в ее составе парные.

Молекулы, имеющие заряд, называются ионами, а непарные электроны — радикалами. Их качественный и количественный состав остается постоянным. Число ядер атомов, электронов и их взаиморасположение помогают различать молекулы разных веществ между собой.

Модели структур некоторых простых молекул

Что такое молекула в физике

В физике термин молекула используется для описания характеристик газов, жидкостей и твердых тел. Мобильность молекул напрямую зависит от способности вещества к диффузии, его вязкости, теплопроводности и т. д. Впервые прямое экспериментальное подтверждение факта существования молекул получил французский физик Жан Перрен в 1906 году во время изучения броуновского движения.

Броуновское движение

Что такое молекула в химии

Для химической дисциплины изучение молекул играет одну из самых важных ролей. Благодаря химическим исследованиям была получена важнейшая информация о составе и характеристиках этой крошечной единицы материи.

Молекула является:

• наименьшей частью одного вещества;
• наименьшим электрически нейтральным множеством атомов, которые образуют определенную структуру посредством химических связей;
• может представлять собой один, несколько или множество, как одинаковых, так и разнообразных атомов.

Когда молекулы проходят через химические превращения, они обмениваются атомами и распадаются. Именно поэтому знания о строении и состоянии данных частиц являются основой для изучения химии веществ и их преобразования.

Основываясь на имеющихся знаниях о происходящих химических реакциях, мы имеем возможность прогнозировать структуру молекул задействованных в них веществ. Верен и обратный вывод: на основании знаний о структуре молекулы вещества вполне реально прогнозировать его поведенческие характеристики в ходе химической реакции.

Строение молекулы

Физико-химические свойства молекул обусловлены их конструктивным строением. Таким образом, многие свойства можно предсказать на основе структурной формулы. К таким свойствам относятся размер, форма, в некоторой степени конформация молекул (т.е. взаимное расположение отдельных атомов), в момент, когда вещество находилось в растворе, и, в заключение, реакционная способность.

Молекула воды имеет угловую структуру: это равнобедренный треугольник с углом наклона в верхней части 104°5′. Масса молекулы воды в состоянии пара составляет 18 г/моль. Вместе с тем, уровень молекулярной массы воды в жидком состоянии выше. Это указывает на то, что молекулы в жидкой воде связаны водородными связями. Когда вода замерзает, она расширяется (поскольку образуется множество водородных связей), однако лед легче воды, всплывает на ее поверхность, «самая тяжелая вода» при значении +4°C.

Молекула полярна: атом кислорода несет частично отрицательный заряд, а два атома водорода несут частично положительный заряд. Это означает, что молекула воды является диполем. Поэтому взаимодействие молекул воды создает между ними водородные связи, которые сказываются на физических свойствах воды. Благодаря высокой полярности молекул вода является непревзойденным растворителем других полярных соединений. В воде распадается больше веществ, чем в других жидкостях.

Типы химической связи

• Металлическая — расположенные в узлах кристаллических решеток ядра атомов металла объединены единым массивом электронов.
• Водородная — обусловлена возможностью атома водорода формировать при смещении от него электронной плотности дополнительные связи.
• Ионная — носит электрическую сущность. Она высоко поляризована. Формируется за счет присоединения ионов, которые несут противоположный заряд.
• Ковалентная — бывает как полярной, так и неполярной. Она состоит из пары электронов, которые принадлежат двум атомам. Данная связь примечательна наивысшей стабильностью и энергетической ёмкостью.

Связи обозначаются нижеуказанными признаками:

• длина — степень, в которой ядра атомов, образовавших связь, удаляются друг от друга;
• энергия — величина силы, приложенной к разрыву соединения;
• полярность — сдвиг облака электронов в сторону одного из атомов;
• порядок или кратность — число электронных пар, которые образовали связь.

Структура молекул может быть представлена графически (структурной формулой). Главные взаимосвязи атомов в формуле обозначаются штрихами. В подобных структурах связи формируют целостную цепь и демонстрируют валентность элементов (атомов), которые их образовывали.

Структурные формулы также демонстрируют, каков внешний вид молекулы (линейный, циклический, наличие радикалов и т.д.).

В настоящее время интенсивно изучается структура частицы вещества. С этой целью применяются различные эксперименты и теоретические методы. Экспериментальные методы включают рентгеновский структурный анализ, спектроскопию, масс-спектрометрию и др. Теоретические методы включают методы расчета квантовой химии.

Масса (размер) молекулы

В соответствии с количеством ядер атомов могут быть выделены двух-, трехатомные и т.д. молекулы.

Mr — Относительная молекулярная (атомная) масса вещества — отношение массы молекул (или атомов) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.

М — молярная масса — масса вещества, взятого в количестве одного моля.

M = Mr * 10^-3 кг/моль

В случае большого количества атомов молекулу называют макромолекулой.

При сложении масс атомов, из которых состоит частица, определяется молекулярная масса. В зависимости от размера молекулярной массы, все химические вещества разделяются на низко- и высокомолекулярные.

Свойства молекулы

В современной науке отмечаются следующие свойства молекул:

• Электрические — эти свойства определяют поведение вещества в электрическом поле. Атомы, которые входят в состав молекулу, состоят из положительно заряженного ядра и электронов, несущих отрицательный заряд. Такие заряды внутри самой молекулы неравномерно распределены, что приводит к так называемому дипольному моменту и смещению электронной плотности в сторону какого-либо из атомов.
• Оптические — описывают поведение вещества в световолновом поле. Оптические свойства включают в себя способность к поляризации света, его преломлению и рассеиванию.
• Магнитные — объясняют распространение электронов в атомах.

Между веществами проводится разграничение:

• диамагнитные — без парных электронов;
• парамагнитные — присутствуют парные электроны.

Изучение свойств и структуры молекул имеет фундаментальное значение для развития теоретической и прикладной науки, а также играет важнейшую роль в жизнедеятельности человека.