Как на самом деле выглядит молекула вещества?

Молекулы - невидимые кирпичики, из которых построено все вокруг нас. Но как же они выглядят на самом деле? В этой статье мы погрузимся в микромир, чтобы рассмотреть молекулы вблизи и понять, как ученые смогли их увидеть.

Что такое молекула и из чего она состоит

Молекула - это наименьшая частица вещества, которая сохраняет его химические свойства. Она состоит из двух или более атомов, соединенных химическими связями.

Существуют молекулы самых разных размеров и форм. Самые маленькие состоят всего из двух атомов, например молекула водорода H₂. А вот самые большие молекулы - это макромолекулы, к которым относятся белки и полимеры. Они могут включать в себя сотни тысяч атомов!

Каждая молекула уникальна по своему строению и свойствам. Даже молекулы одного и того же вещества могут немного отличаться друг от друга расположением атомов.

Как выглядит молекула на самом деле

Несмотря на микроскопические размеры, молекулы имеют определенную форму и строение. Атомы в молекуле располагаются строго определенным образом и связаны между собой химическими связями.

• Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
• Химические связи образуются за счет электронов внешних оболочек атомов.
• Связи определяют форму молекулы и ее свойства.

Так, например, молекула воды H₂O имеет угловую форму, потому что атом кислорода образует с атомами водорода связи под углом 104,5°. А молекула метана CH₄ напоминает правильный тетраэдр.

Как ученые смогли увидеть молекулы

Невозможно увидеть молекулы невооруженным глазом из-за их крошечных размеров. Поэтому для их изучения физики и химики используют специальные методы.

Рентгеновские лучи

Один из первых методов, позволивших "увидеть" молекулы, - это рентгеноструктурный анализ с использованием рентгеновских лучей. Когда пучок рентгеновских лучей попадает на образец, лучи рассеиваются атомами. Анализируя рассеянные лучи, можно определить расположение атомов в молекуле.

В 1912 году с помощью этого метода была получена структура простейшей соли - хлорида натрия NaCl.

Ядерный магнитный резонанс

Этот метод основан на том, что атомные ядра в магнитном поле ведут себя как крошечные магнитики. Измеряя их магнитные свойства можно определить химическое окружение ядер и строение молекулы.

Атомно-силовой микроскоп

Острая игла атомно-силового микроскопа сканирует поверхность образца, взаимодействуя с отдельными атомами. Это позволяет в буквальном смысле "нащупать" строение молекулы.

Криоэлектронная микроскопия

Этот метод сочетает в себе мощь электронного микроскопа и низкие температуры. Сначала молекулы замораживают при температуре жидкого азота, а затем обстреливают пучками электронов. По полученным снимкам определяют строение молекул.

Практическое применение знаний о строении молекул

Знания о строении и свойствах молекул имеют огромную практическую пользу для многих областей науки и техники.

Химия и физика

Детальные сведения о молекулярной структуре помогают химикам понимать, как протекают реакции, и прогнозировать свойства новых веществ. Физики объясняют различные макроскопические свойства веществ исходя из поведения молекул.

Медицина и фармакология

Знание структуры молекул, отвечающих за работу живых организмов (белки, ДНК, лекарства), позволяет разрабатывать новые лекарства и методы лечения.

Пищевая промышленность

Исследуя молекулярный состав пищевых продуктов, можно улучшать их вкус, пищевую ценность и срок хранения.

Нанотехнологии и молекулярный дизайн

Манипулируя отдельными молекулами, ученые создают новые материалы с уникальными свойствами для электроники, медицины, энергетики.

Мир молекул глазами физиков и химиков

Для объяснения природы химических связей и свойств молекул ученые используют квантовую механику. Согласно ей, молекулы состоят из электронов и атомных ядер, взаимодействующих по определенным законам.

Электроотрицательность

Эта величина показывает, насколько сильно атомы в молекуле притягивают к себе электроны. Чем выше электроотрицательность, тем больше атом смещает электронную плотность в свою сторону.

Межмолекулярные взаимодействия

Помимо химических связей, молекулы могут взаимодействовать друг с другом с помощью более слабых сил - водородных связей, сил Ван-дер-ваальса и др. Эти взаимодействия также влияют на свойства веществ.

Удивительные свойства молекул

Хотя молекулы невооруженным глазом не видны, их свойства проявляются во многих известных нам явлениях. Рассмотрим некоторые из них.

Электрические свойства

У молекул есть постоянный или наведенный дипольный момент. Это значит, что они могут поляризоваться и ориентироваться в электрическом поле. На этом основано действие жидких кристаллов в дисплеях.

Оптические свойства

Взаимодействуя с электромагнитным излучением видимого диапазона, молекулы придают веществам цвет. Также они обладают способностью вращать плоскость поляризованного света.

Магнитные свойства

Большинство молекул диамагнитны, то есть слабо отталкиваются от магнитного поля. Но есть парамагнитные молекулы, которые, наоборот, притягиваются.

Спектры

Изучая спектры молекул, ученые получают данные об их строении и энергетических состояниях. Существуют колебательные, вращательные и электронные спектры.

Тепловое движение

Благодаря хаотичному движению, молекулы переносят тепловую энергию, обеспечивая теплопроводность и диффузию веществ.

Самые интересные примеры молекул

Давайте теперь рассмотрим несколько самых известных или необычных молекул и их особенности.

Молекула воды H2O

Эта молекула имеет угловую форму. Угол между атомами водорода составляет 104,5°. Благодаря полярности, молекулы воды образуют водородные связи, которые и обуславливают многие аномальные свойства воды.

Молекула ДНК

Эта гигантская молекула является носителем генетической информации живых организмов. Она имеет двойную спиральную структуру из двух комплементарных полинуклеотидных цепей.

Углекислый газ CO2

Эта молекула имеет линейное строение, при котором атом углерода расположен между двумя атомами кислорода. Несмотря на простую структуру, углекислый газ играет важную роль в круговороте веществ.

Бакминстерфуллерен C60

Эту молекулу также называют футбольным мячом. Она имеет сферическую форму из 60 атомов углерода и обладает высокой прочностью и термостойкостью.

Хлорофилл

Это природный краситель, который придает зеленый цвет листьям растений. Его молекула состоит из атомов углерода, водорода, азота, кислорода и магния. Хлорофилл участвует в фотосинтезе.