Введение

Электрически нейтральная группа из двух или более атомов. Молекула — это группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе силами притяжения, известными как химические связи; в зависимости от контекста, к этому определению могут относиться или не относиться ионы, удовлетворяющие этому критерию. В квантовой физике, органической химии и биохимии различие между молекулами и ионами часто игнорируется, и термин "молекула" используется и применительно к полиатомным ионам. Молекула может быть гомоядерной, то есть состоять из атомов одного химического элемента, например, два атома в молекуле кислорода (O2); или гетероядерной – химическим соединением, состоящим из более чем одного элемента, например, вода (два атома водорода и один атом кислорода; H2O). В кинетической теории газов термин "молекула" часто используется для обозначения любой газообразной частицы, независимо от её состава. Это смягчает требование о том, что молекула должна содержать два или более атомов, поскольку благородные газы существуют в виде отдельных атомов. Атомы и комплексы, связанные нековалентными взаимодействиями, такими как водородные или ионные связи, обычно не рассматриваются как отдельные молекулы. Идеи, схожие с понятием молекулы, обсуждались с древних времен, но современное изучение природы молекул и их связей началось в XVII веке. Благодаря работам таких ученых, как Роберт Бойль, Амедео Авогадро, Жан Перрен и Линус Полинг, изучение молекул со временем развилось и сегодня известно как молекулярная физика или молекулярная химия.

Этимология

Согласно словарю Merriam Webster и Online Etymology Dictionary, слово "молекула" восходит к латинскому слову "moles", означающему небольшую единицу массы. Слово заимствовано из французского molécule (1678), от неолатинского molecula – уменьшительной формы латинского moles, что означает "масса, барьер". Это слово, которое до конца XVIII века использовалось преимущественно в латинской форме, получило распространение после использования в философских трудах Декарта.

История

Определение молекулы развивалось по мере накопления знаний о структуре молекул. Более ранние определения были менее точными, определяя молекулы как наименьшие частицы чистых химических веществ, сохраняющие свой состав и химические свойства. Это определение часто оказывается несостоятельным, поскольку многие вещества в повседневном опыте, такие как камни, соли и металлы, состоят из обширных кристаллических сеток, образованных химически связанными атомами или ионами, но не из отдельных молекул. Современное представление о молекулах восходит к донаучным и греческим философам, таким как Левкипп и Демокрит, которые утверждали, что вся Вселенная состоит из атомов и пустоты. Около 450 г. до н.э. Эмпедокл представил фундаментальные элементы (огонь, земля, воздух и вода) и "силы" притяжения и отталкивания, позволяющие элементам взаимодействовать. Пятый элемент, неизменная квинтэссенция эфир, считался основным строительным блоком небесных тел. Точки зрения Левкиппа и Эмпедокла, вместе с представлением об эфире, были приняты Аристотелем и переданы в средневековую и эпоху Возрождения Европу. Однако более конкретное понятие агрегатов или единиц, связанных атомов, то есть "молекул", берет свое начало в гипотезе Роберта Бойля 1661 года, изложенной в его знаменитом трактате "Скептический химик", согласно которой материя состоит из скоплений частиц, а химические изменения происходят в результате перегруппировки этих скоплений. Бойль утверждал, что основные элементы материи состоят из частиц различных видов и размеров, называемых "корпускулами", способными организовываться в группы. В 1789 году Уильям Хиггинс опубликовал свои взгляды на комбинации "предельных" частиц, которые предвосхитили концепцию валентных связей. Например, по мнению Хиггинса, если сила между предельной частицей кислорода и предельной частицей азота равна 6, то сила будет разделена пропорционально, и аналогично для других комбинаций предельных частиц. Амедео Авогадро ввел термин "молекула". В своей работе 1811 года "Опыт о определении относительных масс элементарных молекул тел" он, по сути, утверждает, то есть, согласно Партингтону "Краткая история химии", что: "Наименьшие частицы газов не обязательно являются простыми атомами, но состоят из определенного числа этих атомов, объединенных силами притяжения для образования одной молекулы". В соответствии с этими концепциями, в 1833 году французский химик Марк Антуан Огюст Годен представил четкое изложение гипотезы Авогадро относительно атомных весов, используя "диаграммы объемов", которые наглядно демонстрируют как полуправильные молекулярные геометрии, такие как линейная молекула воды, так и правильные молекулярные формулы, такие как H2O.

В 1917 году малоизвестный американский студент-инженер-химик по имени Линус Полинг изучал метод связи Дальтона "крючок и петля", который в то время был общепринятым описанием связей между атомами. Однако Полинг не был удовлетворен этим методом и обратился к новой области квантовой физики в поисках нового подхода. В 1926 году французский физик Жан Перрен получил Нобелевскую премию по физике за убедительное доказательство существования молекул. Он достиг этого, вычислив постоянную Авогадро тремя различными методами, все из которых включали системы в жидкой фазе. Во-первых, он использовал эмульсию, подобную мылу из гамбога, во-вторых, провел экспериментальную работу над броуновским движением и, в-третьих, подтвердил теорию Эйнштейна о вращении частиц в жидкой фазе. В 1927 году физики Фриц Лондон и Вальтер Гейтлер применили новую квантовую механику для изучения насыщаемых, недетерминированных сил притяжения и отталкивания, то есть обменных сил, молекулы водорода. Их валентно-связное рассмотрение этой проблемы в их совместной работе стало важной вехой, поскольку оно подчинило химию квантовой механике. Эта работа оказала влияние на Полинга, который только что получил докторскую степень и посетил Гейтлера и Лондона в Цюрихе по стипендии Гуггенхайма. Впоследствии, в 1931 году, опираясь на работы Гейтлера и Лондона, а также на теории, представленные в знаменитой статье Льюиса, Полинг опубликовал свою новаторскую статью "Природа химической связи", в которой он использовал квантовую механику для расчета свойств и структур молекул, таких как углы между связями и вращение вокруг связей. На основе этих концепций Полинг разработал теорию гибридизации для объяснения связей в молекулах, таких как CH4, в которых четыре sp³-гибридизированные орбитали перекрываются с 1s-орбиталью водорода, образуя четыре сигма (σ) связи. Четыре связи имеют одинаковую длину и прочность, что приводит к молекулярной структуре, показанной ниже:

Молекулярная наука

Наука о молекулах называется молекулярной химией или молекулярной физикой, в зависимости от того, на чём сделан акцент – на химии или физике. Молекулярная химия изучает законы, управляющие взаимодействием между молекулами, приводящим к образованию и разрыву химических связей, а молекулярная физика – законы, управляющие их структурой и свойствами. Однако на практике это различие часто бывает размытым. В молекулярных науках молекула представляет собой стабильную систему (связанное состояние), состоящую из двух или более атомов. Полиионные соединения иногда полезно рассматривать как электрически заряженные молекулы. Термин «нестабильная молекула» используется для обозначения высокореакционных частиц, то есть кратковременных объединений (резонансов) электронов и ядер, таких как радикалы, молекулярные ионы, молекулы Ридберга, переходные состояния, комплексы Ван-дер-Ваальса или системы сталкивающихся атомов, например, в конденсате Бозе — Эйнштейна.

Распространенность

Молекулы как компоненты материи широко распространены. Они также составляют большую часть океанов и атмосферы. Большинство органических веществ – это молекулы. Вещества, составляющие живые организмы, – это молекулы, например, белки, аминокислоты, из которых они состоят, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), сахара, углеводы, жиры и витамины. Питательные минералы, как правило, являются ионными соединениями и, следовательно, не являются молекулами, например, сульфат железа. Однако большинство известных твердых веществ на Земле состоят частично или полностью из кристаллов или ионных соединений, которые не состоят из молекул. К ним относятся все минералы, составляющие вещество Земли, песок, глина, галька, камни, валуны, коренные породы, расплавленный внутренний слой и ядро Земли. Все они содержат множество химических связей, но не состоят из отдельных молекул. Нельзя определить типичную молекулу для солей или ковалентных кристаллов, хотя они часто состоят из повторяющихся элементарных ячеек, простирающихся либо в плоскости, например, графен, либо в трех измерениях, например, алмаз, кварц, хлорид натрия. Принцип повторяющейся структуры элементарной ячейки также применим к большинству металлов, которые являются конденсированными фазами с металлической связью. Таким образом, твердые металлы не состоят из молекул. В стеклах, которые являются твердыми телами, существующими в аморфном неупорядоченном состоянии, атомы удерживаются вместе химическими связями, при этом отсутствует какая-либо определяемая молекула и регулярность повторяющейся структуры элементарной ячейки, характерная для солей, ковалентных кристаллов и металлов.

Склеивание

Молекулы обычно удерживаются вместе ковалентной связью. Ряд неметаллических элементов в окружающей среде существуют только в виде молекул, либо в соединениях, либо в виде гомоядерных молекул, а не в виде отдельных атомов: например, водород. Некоторые считают, что металлический кристалл можно рассматривать как одну огромную молекулу, связанную металлической связью, однако другие отмечают, что поведение металлов существенно отличается от поведения молекул.

Ковалентная

Ковалентная связь – это химическая связь, возникающая в результате обобщения электронных пар между атомами. Эти электронные пары называются общими или связывающими парами, а стабильное равновесие сил притяжения и отталкивания между атомами при обобщении электронов называется ковалентным связыванием.

Ионные

Ионная связь — это тип химической связи, основанный на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами и являющийся основным взаимодействием в ионных соединениях. Ионы — это атомы, отдавшие один или несколько электронов (называемые катионами), и атомы, принявшие один или несколько электронов (называемые анионами). Этот перенос электронов называется электровалентностью, в отличие от ковалентности. В простейшем случае катион представляет собой атом металла, а анион — неметалла, однако эти ионы могут иметь более сложную природу, например, молекулярные ионы, такие как NH4+ или SO42−. При нормальных температурах и давлениях ионная связь преимущественно формирует твердые вещества (или иногда жидкости), не состоящие из отдельных, различимых молекул, но при испарении или сублимации таких веществ образуются отдельные молекулы, в которых электроны передаются достаточно полно, чтобы связи можно было считать ионными, а не ковалентными.

Молекулярный размер

Большинство молекул слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом, хотя молекулы многих полимеров могут достигать макроскопических размеров, включая биополимеры, такие как ДНК. Молекулы, обычно используемые в качестве строительных блоков для органического синтеза, имеют размер от нескольких ангстрём (Å) до нескольких десятков ангстрём (Å), или примерно одна миллиардная метра. Отдельные молекулы обычно нельзя наблюдать в световом микроскопе (как указано выше), но в некоторых случаях небольшие молекулы и даже очертания отдельных атомов можно увидеть с помощью атомно-силового микроскопа. К самым крупным молекулам относятся макромолекулы и супермолекулы. Самая маленькая молекула — двухатомный водород (H2) с длиной связи 0,74 Å. Эффективный молекулярный радиус — это размер, который молекула занимает в растворе. Примеры приведены в таблице пермселективности для различных веществ.

Типы химических формул

В химической формуле молекулы используется одна строка символов химических элементов, цифр, а иногда и других символов, таких как круглые скобки, тире, квадратные скобки, а также знаки плюса (+) и минуса (−). Эти символы ограничены одной типографской строкой, которая может включать нижние и верхние индексы. Эмпирическая формула соединения – это очень простой тип химической формулы. Она представляет собой простейшее целочисленное соотношение химических элементов, из которых оно состоит. Например, вода всегда состоит из атомов водорода и кислорода в соотношении 2:1, а этанол (этиловый спирт) всегда состоит из углерода, водорода и кислорода в соотношении 2:6:1. Однако это не определяет тип молекулы однозначно – диметиловый эфир, например, имеет такое же соотношение, как и этанол. Молекулы с одинаковыми атомами, но в разном расположении, называются изомерами. Углеводы, например, также имеют одинаковое соотношение (углерод:водород:кислород = 1:2:1) (и, следовательно, ту же эмпирическую формулу), но разное общее количество атомов в молекуле. Молекулярная формула отражает точное количество атомов, составляющих молекулу, и таким образом характеризует различные молекулы. Однако различные изомеры могут иметь одинаковый атомный состав, при этом являясь разными молекулами. Эмпирическая формула часто совпадает с молекулярной формулой, но не всегда. Например, молекула ацетилена имеет молекулярную формулу C2H2, но простейшее целочисленное соотношение элементов – CH. Молекулярную массу можно рассчитать по химической формуле и выразить в атомных единицах массы, равных 1/12 массы нейтрального атома углерода-12 (изотопа 12C). Для веществ с сетевой структурой в стехиометрических расчетах используется термин «формульная единица».

Структурная формула

Для молекул со сложной трехмерной структурой, особенно если атомы связаны с четырьмя различными заместителями, простой молекулярной формулы или даже полуструктурной химической формулы может быть недостаточно для полного описания молекулы. В таких случаях может потребоваться графическое представление формулы, называемое структурной формулой. Структурные формулы, в свою очередь, можно представить в виде одномерного химического названия, однако такая химическая номенклатура требует большого количества слов и терминов, которые не входят в состав химических формул.

Молекулярная геометрия

Молекулы обладают фиксированными равновесными геометриями – длинами и углами связей, вокруг которых они непрерывно совершают колебательные и вращательные движения. Чистое вещество состоит из молекул с одинаковой средней геометрической структурой. Химическая формула и структура молекулы – два важных фактора, определяющих её свойства, в особенности реакционную способность. Изомеры имеют одинаковую химическую формулу, но обычно обладают существенно различными свойствами из-за различий в их структуре. Стереоизомеры, являясь особым типом изомеров, могут иметь очень близкие физико-химические свойства, но при этом проявлять разную биохимическую активность.

Молекулярная спектроскопия

Молекулярная спектроскопия изучает отклик (спектр) молекул на воздействие зондирующих сигналов с известной энергией (или частотой, в соответствии с соотношением Планка). Молекулы обладают квантованными энергетическими уровнями, которые можно анализировать, регистрируя обмен энергией молекулы посредством поглощения или излучения. Спектроскопия, как правило, не включает дифракционные исследования, в которых частицы, такие как нейтроны, электроны или высокоэнергетические рентгеновские лучи, взаимодействуют с упорядоченным расположением молекул (например, в кристалле). Микроволновая спектроскопия обычно измеряет изменения в вращении молекул и может использоваться для идентификации молекул в космическом пространстве. Инфракрасная спектроскопия измеряет колебания молекул, включая растяжения, изгибы и кручения. Она широко используется для определения типов связей или функциональных групп в молекулах. Изменения в расположении электронов приводят к появлению линий поглощения или излучения в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном диапазонах, что обуславливает цвет. Ядерный резонансный спектроскопия изучает окружение отдельных ядер в молекуле и может использоваться для определения числа атомов в различных положениях молекулы.

Теоретические аспекты

Изучение молекул в молекулярной физике и теоретической химии в значительной степени основано на квантовой механике и необходимо для понимания химической связи. Самая простая молекула – ион молекулы водорода H2+, а самая простая из всех химических связей – одноэлектронная связь. H2+ состоит из двух положительно заряженных протонов и одного отрицательно заряженного электрона, что означает, что уравнение Шредингера для этой системы можно решить легче из-за отсутствия отталкивания между электронами. С развитием быстрых цифровых компьютеров стали возможны приближенные решения для более сложных молекул, что является одним из основных аспектов вычислительной химии. При попытке строго определить, достаточно ли стабильно расположение атомов, чтобы считаться молекулой, IUPAC предлагает, чтобы оно "должно соответствовать углублению на поверхности потенциальной энергии, достаточно глубокому для удержания как минимум одного колебательного состояния", и при этом быть настолько слабо связанным, что его можно наблюдать только при очень низких температурах. Вопрос о том, достаточно ли стабильно расположение атомов, чтобы считаться молекулой, является по своей сути операционным определением. Следовательно, с философской точки зрения, молекула не является фундаментальной сущностью (в отличие, например, от элементарной частицы); скорее, понятие молекулы – это способ химика сделать полезное утверждение о силе атомно-масштабных взаимодействий в наблюдаемом нами мире.