§ 8. Молекулы

мельчайшая частица данного вещества, обладающая всеми его основными химическими свойствами и способная к самостоятельному существованию.

• 1. Происхождение термина — французский учёный Пьер Гассенди (1592–1655) в XVII в. назвал устойчивые группы соединившихся атомов молекулами, что в переводе с латинского (moles — масса, тяжесть) означает «массочка» или «малая масса».
• 2. Связь свойств вещества с молекулой — свойства любого вещества определяются не только тем, из каких именно атомов состоят его молекулы, но и тем, в каком точном количественном соотношении и пространственном порядке эти атомы объединены в молекулу.
• 3. Делимость молекулы — молекула не является неделимым кирпичиком: в ходе химических реакций она может распадаться на составляющие её атомы или соединяться с другими атомами с образованием новых веществ.

элементарная неделимая единица химического состава, определенная разновидность атомов с конкретным зарядом ядра и уникальными свойствами.

• 1. Количество сортов атомов — в настоящее время науке известно 118 разновидностей атомов (химических элементов), занесённых в Периодическую таблицу Д. И. Менделеева.
• 2. Комбинаторное разнообразие — благодаря способности атомов соединяться в самых разнообразных комбинациях и пропорциях из ограниченного числа элементов формируются миллионы различных химических соединений.

две фундаментальные категории веществ по характеру их внутреннего структурного устройства:

• 1. Вещества молекулярного строения — вещества, первичными обособленными структурными единицами которых являются молекулы (вода $H_2O$, углекислый газ $CO_2$, кислород $O_2$, азот $N_2$, метан, сахар, белки).
• 2. Вещества немолекулярного строения (атомарные и ионные) — вещества, не имеющие дискретных молекул и состоящие непосредственно из атомов или ионов, объединённых в непрерывную кристаллическую решётку (металлы — железо, медь, золото; полупроводники и неметаллы — кремний, графит, алмаз, мышьяк; благородные газы — гелий, неон, аргон; соли — поваренная соль $NaCl$).

физическая характеристика пространственной протяженности молекулы, отражающая её ничтожно малый масштаб:

• 1. Порядок величины — линейные размеры большинства простых молекул составляют около $10^{-10}$–$10^{-9}\text{ м}$ (от $0{,}1$ до $1$ нанометра).
• 2. Наглядная пропорция — если молекулу воды мысленно увеличить до размера обычного яблока, то само яблоко, увеличенное во столько же раз, достигло бы размеров планеты Земля.
• 3. Гигантские молекулы (макромолекулы) — молекулы органических соединений и полимеров (белки, ДНК, полиэтилен) состоят из сотен тысяч и миллионов атомов, достигая гигантских по микроскопическим меркам размеров.

классический экспериментальный физический метод приближённой оценки линейных размеров молекул, предложенный немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (1845–1923) и английским физиком Джоном Рэлеем (1842–1919).

• 1. Суть метода — микроскопическую каплю спиртового раствора масла известного объёма $V$ помещают на чистую поверхность воды. Масло растекается по поверхности до тех пор, пока не образует предельно тонкую плёнку толщиной ровно в один слой молекул (мономолекулярный слой).
• 2. Формула расчёта диаметра молекулы — измерив площадь образовавшегося масляного пятна $S$, находят толщину мономолекулярной плёнки $d$, равную эффективному диаметру молекулы масла:

$$d = \frac{V}{S}$$

• 3. Экспериментальный результат — вычисленная толщина плёнки масла составляет величину порядка $d \approx 10^{-9}\text{ м} = 1\text{ нм}$, что дало физикам первое строгое подтверждение реальных размеров молекул.

фундаментальное положение молекулярной физики, гласящее, что все молекулы одного и того же химического вещества абсолютно одинаковы по составу, массе, размерам и внутреннему строению.

• 1. Независимость от происхождения — молекула воды, полученная при таянии айсберга, конденсации пара из чайника или выделенная из сока растения, абсолютно тождественна любой другой молекуле воды ($H_2O$).
• 2. Различие молекул разных веществ — молекулы разных веществ обязательно отличаются друг от друга составом атомов, их пространственным расположением, массой или физико-химическими свойствами.

Французский учёный, философ, физик и астроном XVII века, возродивший атомистическое учение и впервые ввёдший в науку понятие молекулы как устойчивой группы атомов.

• Ввёл в науку термин «молекула» (от латинского moles — масса), определив её как устойчивую группу связанных между собой атомов.
• Предположил, что существует ограниченное число сортов атомов (несколько десятков), из различных комбинаций которых образуется всё колоссальное многообразие веществ в природе.
• Гениально предвосхитил открытие химических элементов, количество разновидностей атомов которых в современной науке достигло 118.

Выдающийся немецкий физик-экспериментатор, первый в истории лауреат Нобелевской премии по физике, разработавший метод оценки микроскопических размеров молекул с помощью растекания масляных плёнок.

• Разработал совместно с лордом Рэлеем простой и наглядный экспериментальный метод оценки линейных размеров молекул с использованием масляных плёнок на воде.
• Доказал, что толщина растекающейся по водной глади плёнки масла не может быть меньше диаметра одной молекулы и составляет величину порядка 10⁻⁹ метра (1 нанометр).
• Определил толщину слоя через отношение известного объёма капли к площади образовавшегося масляного пятна, получив первое надёжное экспериментальное подтверждение малости молекул.

Британский физик и механик, лауреат Нобелевской премии, разработавший экспериментальный метод масляных плёнок для определения размеров молекул и их оценки в нанометровом масштабе.

• Применил метод поверхностного растекания капли спиртового раствора масла для экспериментальной оценки верхнего предела диаметра молекул.
• Экспериментально установил, что предельная толщина мономолекулярной масляной плёнки на поверхности воды составляет порядка одной миллиардной доли метра (10⁻⁹ м).
• Внёс основополагающий вклад в изучение молекулярных явлений, исследовав поверхностное натяжение жидкостей и открыв молекулярное рассеяние света в атмосфере.

О молекулах из физических исследований известно следующее:

• Определение: молекула — это мельчайшая частица конкретного вещества, сохраняющая все его основные химические свойства;
• Состав: молекулы состоят из связанных между собой более мелких частиц — атомов. Существуют простые молекулы, состоящие всего из двух одинаковых атомов (например, молекула водорода $H_2$, кислорода $O_2$), и сложные молекулы, содержащие атомы разных элементов (молекула воды $H_2O$ состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода; молекула углекислого газа $CO_2$ — из одного атома углерода и двух атомов кислорода). В макромолекулах живой природы (белки, ДНК) число атомов достигает сотен тысяч;
• Размеры: молекулы чрезвычайно малы, их диаметры составляют порядка $10^{-9}$–$10^{-10}\text{ м}$. Для их прямого наблюдения требуются современные приборы с колоссальным увеличением — электронные и сканирующие туннельные микроскопы;
• Одинаковость: все молекулы одного и того же вещества абсолютно тождественны по строению, размерам и массе;
• Динамика: молекулы никогда не находятся в покое — они непрерывно и хаотически движутся, сталкиваясь друг с другом, а между ними существуют свободные промежутки и действуют силы взаимного притяжения и отталкивания.

Молекула водорода (химическая формула $H_2$) представляет собой простое двухатомное соединение и состоит из двух одинаковых атомов водорода ($H$), прочно связанных между собой химической ковалентной связью.

Нет, такое утверждение с физической и химической точки зрения является неверным:

• Наименьшей частицей простого вещества водорода, способной самостоятельно существовать в обычных условиях и сохранять все его физические и химические свойства (как газа с определённой плотностью, температурой кипения, химической инертностью при комнатной температуре), является молекула водорода ($H_2$);
• Если молекулу водорода разделить на отдельные атомы, то свободные атомы водорода ($H$) будут обладать принципиально иными физико-химическими свойствами: они крайне химически активны, неустойчивы и мгновенно соединяются либо друг с другом обратно в молекулы $H_2$, либо с атомами других веществ;
• Атом водорода является наименьшей частицей химического элемента водорода (как вида материи), но наименьшей частицей вещества водорода является именно молекула $H_2$.