Чем можно охарактеризовать молекулу

Что такое молекула?

Определение:

В космосе обнаружены как простые, так и сложные органические (углеродосодержащие) молекулы. Углерод образуется в ядрах красных гигантских звезд, где он циркулирует на поверхности и распределяется в пространстве.

Впечатление художника о простых и сложных органических (углеродосодержащих) молекулах, обнаруженных в космосе.

Она может состоять из атомов одного химического элемента, как в случае с кислородом (O2), или из различных элементов, как в случае с водой (H2O). Как компоненты материи, молекулы распространены в органических веществах (и, следовательно, в биохимии) и являются тем, что позволяет создавать жизнетворные элементы, таким как жидкая вода и воздухопроницаемые атмосферы.

Типы связей:

Ионная связь, напротив, представляет собой тип химической связи, которая включает электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. Ионы, участвующие в такой связи, — это атомы, которые потеряли один или несколько электронов (называемые катионами), и те, которые приобрели один или несколько электронов (называемые анионами). В отличие от ковалентности, этот перенос называется электровалантом.

Схема молекулы воды, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

История

Исторически молекулярная теория и атомная теория тесно переплетены. Первые упоминания о том, что материя состоит из “отдельных единиц”, появились в Древней Индии, где последователи джайнизма придерживались идеи, что все вещи состоят из мелких неделимых элементов, которые, соединяясь, образуют более сложные объекты.

В Древней Греции философы Левкипп и Демокрит ввели термин «атомос», имея в виду «мельчайшие неделимые части материи», от которых мы получаем современный термин «атом».

Затем в 1661 году натуралист Роберт Бойл в трактате по химии под названием «Скептический химик» утверждал, что материя состоит из различных комбинаций «корпускул» (устаревший термин для обозначения мельчайшей частицы материи), а не земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако эти наблюдения ограничивались областью философии.

Только в конце 18-го и начале 19-го веков Закон сохранения массы Антуана Лавуазье и Закон множественных пропорций Дальтона привели атомы и молекулы в область точной науки. Первые предположили, что элементы являются основными веществами, которые не могут быть подвергнуты дальнейшему разложению, в то время как последние предположили, что каждый элемент состоит из одного уникального типа атома и что они могут соединяться вместе, образуя химические соединения.

Сканирующий туннельный микроскоп

Еще одна находка пришла в 1865 году, когда Иоганн Йозеф Лошмидт измерил размер молекул, составляющих воздух, что дало ощущение масштаба молекул. Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в 1981 году позволило впервые непосредственно наблюдать атомы и молекулы.

Сегодня наше понятие молекул получает дальнейшее развитие благодаря постоянным исследованиям в области квантовой физики, органической химии и биохимии. А когда речь заходит о поисках жизни в других мирах, необходимо понимание того, что нужно органическим молекулам, чтобы выйти из комбинации химических строительных блоков.

Источник

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.

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.

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.

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.

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

Связи обозначаются нижеуказанными признаками:

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.

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:

Между веществами проводится разграничение:

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

Источник

Атомы и молекулы: что о них известно

Атомы и молекулы: Freepick

С изучения атомов и молекул начинается знакомство с химией. Современной науке известны миллионы молекул. Разобраться с их строением и свойствами помогут особенности мельчайшей частицы — атома.

Что такое атомы

С древних времен люди стремились изучить природу вещей, которые их окружали. Постепенно пришли к мысли о том, что все вокруг состоит из мельчайших частиц.

По мере развития науки появилось понятие об атомах и молекулах. Эти частички чрезвычайно малы, и невооруженным глазом их не разглядеть. Любое крошечное количество вещества, например, пылинка, содержит невероятно большое количество атомов и молекул.

Что же такое атом? Так называют мельчайшую химически неделимую частицу вещества, а также наименьшую часть химического элемента, которая отражает его свойства. Атомы очень маленькие: их размеры находятся в диапазоне от 1 до 5 ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10⁻¹⁰ м.

Когда атомы только открыли, их считали самыми маленькими из возможных частиц. Но сегодня нам известна их внутренняя структура:

Например, в атоме гелия есть ядро с двумя протонами и двумя нейтронами, а вокруг него двигаются по своим орбитам два электрона.

Мир атомов: Freepick

Элементарные или субатомные частицы во всех атомах одинаковы, отличается только их количество:

Ядра атомов заряжены положительно, так как в них находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. По величине заряд соответствует количеству протонов в ядре и равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Заряды протонов и электронов одинаковые по величине, но имеют противоположные знаки. В любом атоме число протонов и электронов равно. Поэтому заряд ядра и суммарный заряд всех электронов также равны, но имеют противоположные знаки. Следовательно, атом — электронейтральная частица.

Каждый известный атом обозначен специальным символом — латинской буквой. Все они представлены в периодической системе Д. И. Менделеева.

На современном этапе развития науки ученые стремятся разрушить атом, чтобы получить еще более мелкие частички. Однако они очень неустойчивы, и добиться их долговременного существования пока не получается.

Что известно о молекулах

Атомы различным образом соединяются друг с другом. Как из букв алфавита составляются тысячи слов, так одни и те же атомы образуют молекулы большого количества разных веществ, которые видим в окружающем мире.

Молекулой называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и способна к самостоятельному существованию. Каждая молекула строится из атомов, которые составляют ее массу:

Таким образом, вещества не вечны, так как их молекулы не могут быть вечными. Однако их атомы практически вечны. В тех веществах и предметах, которые окружают нас сегодня, находятся атомы, которые существовали еще во времена динозавров, походов Александра Македонского и открытия Колумбом Америки.

Что такое молекулы: Freepick

Хоть молекулы и очень малы, их устройство определяют с помощью различных физических и химических методов. Чистые вещества состоят из молекул одного вида.

Если в физическом теле есть молекулы разных видов, то речь идет о смеси веществ. Когда в быту говорим о чистом воздухе, то называем так сложную смесь различных газообразных веществ. Химику придется серьезно поработать, чтобы выделить из нее отдельные чистые вещества.

Все вещества делят на простые и сложные:

Часто физические тела состоят из молекул нескольких веществ. Их называют смесями. Важно не путать сложные вещества и смеси. Если в сложном веществе содержатся молекулы одного вида, то это не смесь.

Благодаря свойству атомов объединяться в разных вариациях количество веществ, как и видов молекул, бесконечно. Никто не сможет точно назвать число веществ, которые сегодня известны людям. Ориентировочно их количество исчисляется миллионами, а химики каждый день создают новые молекулы.

Таким образом все вещества, которые мы видим вокруг нас, состоят из молекул, а те, в свою очередь, построены из атомов. Ученым удалось исследовать мельчайшие частички — атомы — и подробно описать их структуру. Эти знания стали ключом к пониманию природы молекул и даже дали возможность создавать новые молекулы.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Наука собственными силами

Характеристики молекул

Вы, возможно, слышали, что все тела состоят из молекул, эти молекулы хаотически движутся и взаимодействуют. Чтобы применять эти положения в физике, нужно описать молекулы как самостоятельные физические тела. Нужно выяснить, какие размеры они имеют, какую массу, с какой силой взаимодействуют, с какими скоростями движутся. Выяснить, сколько их, в конце концов…

Проще всего, конечно, заглянуть в справочники, но гораздо интереснее самому «на пальцах» получить основные физические характеристики молекул – размеры, массу и т.д.
Оказывается, это можно сделать с помощью простейших рассуждений и опытов на собственной кухне. А потом можно и в справочники…

1. Размер молекулы

Характерный (типичный) размер молекул можно оценить, поместив каплю масла на поверхность воды. Капля начнет расплываться до тех пор, пока ее молекулы не расположатся в один слой. Тогда толщина этого слоя – это и есть примерный размер молекулы. Измерить толщину этого слоя напрямую трудно, зато можно его вычислить, считая пятно цилиндром.

Тогда, очевидно, размер

где

Автор этой идеи, великий физик Рэлей, получил в результате измерений

современные точные измерения дают такой же порядок величины.

Проявляется ли как-то размер молекул в привычных для нас масштабах?

В плену у крокодилов

Во время Второй мировой войны наши лётчики перегоняли гидросамолёты. Экипаж одного гидроплана, пленённый красотой африканского озера, совершил посадку в незапланированном месте. Самолёт удачно приводнился, и тут лётчики заметили, что озеро кишит крокодилами.
“Взлетаем!” – решили лётчики, но прямо по курсу – крокодил… А кто гарантирует, что рядом не всплывёт ещё один?
Трагизм положения в том, что стоит одному из поплавков гидроплана попасть в животное – и аварии не избежать. Подстрелить крокодила? Но тогда “сбегутся” его кровожадные сородичи, и будет ещё хуже… Как быть?
Летчики плеснули на воду кружку бензина. Когда бензиновое пятно дошло до крокодилов, они очистили «взлетную полосу», и летчики смогли взлететь.

Очевидно, радиус бензинового пятна на поверхности напрямую связан с размером молекулы бензина. Оценим радиус пятна:

Весь бензин из стакана(рис) превратился в пятно толщиной

Объем пятна V_П, с одной стороны, равен объему бензина в стакане V_Б. С другой стороны, этот объем

(мы для упрощения предположили, что пятно имеет форму «блина», т.е. цилиндра с радиусом основания R и малой высотой a₀).
Приравнивая эти объемы, получим

2. Масса молекулы

Теперь можно оценить характерную массу молекулы. Если считать, что в твердом теле и жидкости молекулы упакованы плотно, касаясь друг друга, то можно считать, что плотность вещества близка к плотности молекул. Тогда масса молекулы:

Например, для молекулы воды имеем

Можно ли определить массу молекулы точнее?

Из химии известно, что масса любой молекулы с неплохой точностью выражается как целое число «атомных единиц» – масс водородного атома. Точная величина атомной единицы массы

Тогда точное значение массы любой молекулы находим, зная химический состав молекулы и беря атомные массы из таблицы Менделеева. Например, для молекулы воды получим

3. Число молекул

Зная массу молекулы, легко подсчитать число молекул в заданной массе вещества m, если вещество состоит из молекул одного сорта.
Поскольку в веществе нет ничего, кроме молекул, очевидно, число молекул

соответственно

Например, в килограмме воды число молекул

Теперь можно определить концентрацию молекул (число в единице объема):

Заодно получим линейную концентрацию n_l (число молекул на единицу длины) и поверхностную концентрацию n_s (число молекул на единицу поверхности).
Для этого рассмотрим кубик вещества, состоящего из плотно упакованных молекул (рис.2). Выразим ребро этого кубика, площадь грани и объем через размер молекулы:



Отсюда, зная число молекул в объеме кубика, легко получить число молекул вдоль ребра кубика

и число молекул на грани кубика

Если принять ребро рассмотренного кубика за единицу длины, получим аналогичные соотношения для концентраций:

Источник

Молекула – определение, виды и примеры

Определение молекулы

Молекула представляет собой два или более атомов, связанных вместе, чтобы сформировать единый химический объект. Каждый атом несет определенное количество электронов, которые вращаются вокруг ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, разных чисел в разных элементах. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, существуют в различных облаках или валентных оболочках. Эти оболочки предпочитают иметь определенное количество электронов, в зависимости от оболочки. Иногда один атом отдает электроны другому атому. Эти атомы одновременно изменяют электрический заряд и становятся ионами. Один будет положительным, а другой – отрицательным. Эти противоположные электрические эффекты притягивают друг друга и образуют ионные связи. Эти связи не образуют молекулы, и ионы могут быть легко разделены. Однако иногда атом делится электронами.

Примеры Молекулы

Молекулы на основе углерода

Углерод, вероятно, самый важный элемент для всех живых организмов. Углерод обладает уникальной способностью образовывать 4 ковалентные связи, которые могут привести к образованию длинных цепочек молекул. Все органические молекулы содержат углерод, и способность манипулировать углеродными связями была, вероятно, очень ранним развитием в эволюции жизни. Все типы молекул, описанные ниже, содержат углерод с большим разнообразием других атомов, ковалентно связанных с углеродом. Углерод, когда он образует двойные связи с другими атомами углерода, может вращаться вокруг связи. Это может создать молекулы, которые являются гибкими, и различаются по форме. Большое разнообразие молекул углерода различной формы в биологическом мире создает уникальные взаимодействия.

Аденозинтрифосфат (АТФ)

Молекула, которая почти каждый организм использует аденозинтрифосфат или АТФ. Аденозин – это молекула из нескольких углеродных колец, представленная правой стороной молекулы ниже. Левая сторона представляет собой цепь фосфатных групп, которые представляют собой атомы фосфора, ковалентно связанные с атомами кислорода. Когда связи между этими фосфатными группами разрываются, энергия высвобождается. Обычно АТФ функционирует как коэнзим, передавая энергию от связи ферменту, который может использовать энергию для ускорения химической реакции. Две молекулы присутствуют после разрыва, свободно плавающие фосфатная группа и аденозиндифосфат или ADP. Через процессы гликолиза (расщепление глюкозы) и дыхания (использование кислорода для дальнейшего расщепления глюкозы) вырабатывается АТФ, который затем может использоваться для получения энергии в других клеточных процессах.

Типы Биологических Молекул

Молекула может иметь совсем другие свойства, чем атомы, из которых она состоит. Например, сахар представляет собой комбинацию углерода, кислорода и водорода. Углерод, как вы видели в конце пожара, представляет собой серо-пыльное вещество. Кислород и водород – оба газа. Каким-то образом, в сочетании с ковалентными связями, углеродные нити с кислородом и водородом становятся сладким и богатым энергией питательным веществом, на которое многие животные полагаются для выживания. В биологии есть много молекул, которые производят животные, но они бывают только нескольких типов.

Белки

Одним из наиболее важных типов молекул, продуцируемых клетками, является белок. Молекула белка представляет собой полимер. Это означает, что он был образован из множества более мелких молекул, известных как мономеры. Эти молекулы называются аминокислоты, ДНК каждого организма кодирует определенные последовательности аминокислот. Подходящие аминокислоты связаны вместе, и сложные взаимодействия между аминокислотами заставляют их складываться. Эти складки приводят к более сложным структурам. Структура белка позволяет ему функционировать по-разному.

Клетки используют белковые молекулы в широком спектре задач. Их можно использовать в качестве ферментов для катализа специфических реакций. Они могут образовывать антитела как часть иммунной защиты организма. Некоторые белки просто хранят аминокислоты для последующего использования. Есть белки, встроенные в клетка мембраны, которые позволяют ионам и другим молекулам проходить через мембраны. На нервных клетках белки используются для получения сигналов, посылаемых другими нервами, таким образом, передавая сигнал. В мускул клетки, белки несут ответственность за сокращение мышц. Еще другие белки используются просто как структурная поддержка. Список функций, для которых клетки используют белковые молекулы, огромен.

Липиды

Другим важным классом молекулы является класс липидов. Липиды – это молекулы, которые плохо смешиваются с водой. гидрофобный, Часто связи в молекулах липида не создают зарядов, а являются неполярными. Эти неполярные молекулы не любят смешиваться с водой, очень полярная молекула, Липиды также являются полимерами и созданы из двух меньших молекул, глицерин и жирная кислота. Эти молекулы липидов накапливают много энергии и часто используются в жировых клетках для хранения энергии для организма. Иногда гидрофильный или любящий воду фосфат глава прикрепляется к молекулам липидов. Это создает фосфолипид, Многие фосфолипиды могут быть соединены для создания клеточных мембран. Иногда липиды могут стать стероидами или химическими веществами, которые заставляют клетки реагировать по-разному. Один из них, холестерин, может влиять на жесткость клеточных мембран, что, в свою очередь, может влиять на жесткость артерий и вен. Это одна из причин, почему врачи рекомендуют снизить уровень холестерина, чтобы ткани могли иметь правильную текстуру.

углеводы

В то время как белки и липиды обеспечивают структуру, поддержку и функции ферментов, углеводы в основном отвечают за энергию. Большинство животных перерабатывают какой-то сахар, чтобы их клетки функционировали. Растения часто хранят эти сахара в виде более сложных углеводов, таких как крахмалы. Отдельные сахара известны как моносахариды, в то время как несколько связанных сахаров называются полисахаридами. Растения иногда используют эти молекулы углеводов для других функций, таких как структура. Основным структурным углеводным растением является целлюлоза, которую они используют для создания клеточных стенок вокруг своих клеток. Оказывая давление на заполненный водой вакуоль внутри клетки молекулы целлюлозы сдвигаются и становятся жесткими.

Как молекула энергии, растения создают глюкозу через фотосинтез, Используя энергию света, растения могут накапливать энергию в связях глюкозы. Хотя глюкоза является легкой молекулой для получения энергии, ее не удобно хранить. Вместо этого растения объединяют молекулы глюкозы вместе, образуя более крупные полисахариды, которые можно складывать и хранить в специализированных клетках для дальнейшего использования. Животные хорошо знают об этом факте, и травоядные могут выживать только на глюкозе и других углеводах, присутствующих в растение матер. Фактически, даже люди могут процветать на травоядной диете, потому что у растений есть все углеводы и белок, в которых человек нуждается.

Нуклеиновые кислоты

Самая важная молекула жизни, ДНК, состоит из переплетенных нитей нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты – это молекулы, которые сами по себе ничего не значат, но при соединении в серию содержат информацию. Информация, которую они несут, может быть «прочитана» определенными белками, которые работают вместе, чтобы преобразовать кодоны ДНК в цепочки аминокислот, которые превращаются в функциональные белки. Этот процесс создания белков из информации, содержащейся в молекулах, известен как биосинтез и является основой всей жизни. Организмы могут копировать свои информационные молекулы и передавать их генетика на их потомстве. Начало жизни, вероятно, началось только с одной или двух из этих самовоспроизводящихся молекул, и за миллиарды лет расширилось (и сократилось) в разнообразие, которое мы видим сегодня.

викторина

1. Что из следующего НЕ является молекулой?A. H2OB. Cl-C. O2

Ответ на вопрос № 1

В верно. Cl– является примером иона или заряженного атома. Поскольку есть только один атом, это не молекула. O2 состоит из 2 атомов кислорода, соединенных вместе, образуя молекулу кислорода.

2. Поваренная соль состоит из двух ионов Na + и Cl–, которые существуют в матрице. Ионы не связываются вместе, но притягиваются друг к другу и образуют поваренную соль или NaCl. Является ли NaCl молекулой?A. даB. нетC. Только когда в матрице

Ответ на вопрос № 2

В верно. Только ковалентно связанные атомы могут образовывать молекулы. Даже в матрице ионных связей, которая существует в соли, между ионами существует только слабая связь, и они легко могут быть растворены растворитель,

3. Полимеры – это мономеры, связанные вместе. Мономеры являются примером чего?A. МолекулыB. атомыC. Ядра

Ответ на вопрос № 3

верно. И мономеры, и полимеры считаются молекулами, потому что они состоят из атомов, связанных вместе. Полимеры обычно считаются макромолекулами, потому что они очень большие.

Источник