Вещества молекулярного строения окружают нас повсюду. Они составляют воздух, которым мы дышим, воду, которую пьем, и многие другие вещества, без которых невозможна наша повседневная жизнь. Давайте разберемся, что представляют собой эти удивительные вещества, как устроена их внутренняя структура и какие уникальные свойства они проявляют.
Понятие веществ молекулярного строения
Вещества молекулярного строения состоят из отдельных молекул. Молекула – это электронейтральная частица, представляющая собой группу химически связанных атомов, которая может существовать самостоятельно и обладает свойствами данного вещества.
К основным признакам веществ молекулярного строения относят:
- Наличие отдельных молекул как структурных единиц
- Низкие температуры плавления и кипения
- Способность находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии при обычных условиях
- Высокая летучесть
- Не высокая твердость и хрупкость твердых веществ
- Плохая электропроводность
Примерами веществ молекулярного строения могут служить:
- Кислород O2
- Азот N2
- Вода H2O
- Углекислый газ CO2
- Метан CH4
- Хлороводород HCl
- Серная кислота H2SO4
- Этанол C2H5OH
- Бензол C6H6
- Нафталин C10H8
В отличие от веществ молекулярного строения, вещества немолекулярного строения при обычных условиях находятся в твердом состоянии, имеют высокие температуры плавления и кипения, плохо летучи. К немолекулярным веществам относят многие металлы, сплавы, минералы.
| Вещества молекулярного строения | Вещества немолекулярного строения |
| Состоят из молекул | Состоят из атомов или ионов |
| Низкие температуры плавления и кипения | Высокие температуры плавления и кипения |
| Летучие | Нелетучие |
| Плохие проводники электричества | Хорошие проводники электричества |
Строение молекул
Молекулы веществ молекулярного строения могут сильно отличаться по размерам, форме, составу и строению. Разобраться в многообразии молекулярных структур нам поможет рассмотрение их основных структурных элементов.
В состав любой молекулы входят химически связанные атомы. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Химическая связь образуется за счет обобществления электронов атомов.
Различают несколько типов химических связей:
- Ковалентная связь – электроны полностью переходят на орбиты двух связанных атомов.
- Ионная связь – электроны полностью переходят к атому-акцептору, и атомы приобретают заряды.
- Металлическая связь – электроны атомов металлов образуют общую электронную оболочку.
- Водородная связь – проявляется между положительно заряженным атомом водорода и отрицательно заряженным атомом (например, азота или кислорода).
В зависимости от типа химических связей молекулы могут иметь разнообразные формы:
- Линейные (например, CO2, HCN)
- Треугольные (H2O, NH3)
- Тетраэдрические (CH4, CCl4)
- Пирамидальные (NH3, PF3)
- Циклические (C6H6, C5H5N)
Размер молекул колеблется от долей нанометра до нескольких нанометров. Например, размер молекулы воды составляет около 0,3 нм, а размер молекулы холестерина достигает 3 нм.
Масса молекул находится в диапазоне от нескольких до сотен тысяч атомных единиц массы. Самые легкие молекулы водорода H2 имеют массу 2 а.е.м., тогда как масса белковых молекул может достигать 100 000 а.е.м.
Для наглядного представления строения различных молекул используют их модели, на которых атомы изображаются в виде шариков, соединенных палочками, обозначающими химические связи. Такая наглядность моделей помогает лучше понять пространственную структуру молекул и принципы их построения из атомов с использованием разных типов химических связей.
Агрегатные состояния
Вещества молекулярного строения могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое происходит при изменении температуры.
Твердые вещества молекулярного строения имеют жесткую структуру. Их молекулы колеблются около фиксированных положений, образуя кристаллическую решетку. При плавлении молекулы начинают свободно перемещаться, и вещество переходит в жидкое состояние.
В жидкостях молекулы также свободно движутся, но их притяжение друг к другу еще достаточно велико. При кипении притяжение ослабевает, и молекулы переходят в газообразное состояние, заполняя весь предоставленный объем.
На агрегатное состояние влияют такие факторы, как давление, температура, вид межмолекулярных взаимодействий. Некоторые вещества в определенных условиях могут находиться в аномальных состояниях. К таким состояниям относятся, например:
- Сверхтекучесть
- Сверхкритическое состояние
- Стеклообразное состояние
- Жидкие кристаллы
- Плазма
Физические свойства
Физические свойства веществ молекулярного строения во многом определяются особенностями движения и взаимодействия молекул. Рассмотрим наиболее важные физические характеристики.
Плотность вещества зависит от массы молекул и сил межмолекулярного взаимодействия. Чем сильнее притяжение между молекулами, тем выше плотность.
Вязкость, или текучесть, характеризует сопротивление жидкости течению. Она тем выше, чем сильнее взаимодействие молекул.
Теплопроводность молекулярных веществ невысока из-за слабой связи между молекулами. Лучшими теплопроводниками являются металлы с их общей электронной оболочкой.
Подавляющее большинство молекулярных веществ - диэлектрики, то есть плохо проводят электрический ток. Исключения составляют вещества с ионным типом связи.
Большинство веществ молекулярного строения не обладают магнитными свойствами, в отличие от ферромагнитных металлов.
Химические свойства
Химические свойства молекулярных веществ проявляются в их способности вступать в реакции с образованием новых веществ. Химическая активность определяется природой молекул и условиями протекания реакций.
На реакционную способность влияют:
- Энергия химических связей
- Заряд и полярность молекул
- Пространственная структура
- Температура
- Катализаторы
Вещества с ионной и ковалентной полярной связью обычно более химически активны, чем вещества с ковалентной неполярной связью. Газообразные вещества чаще вступают в реакции, чем твердые и жидкие.
Примеры реакций с участием молекулярных веществ:
- Горение: 2H2 + O2 = 2H2O
- Нейтрализация: HCl + NaOH = NaCl + H2O
- Окисление: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
- Полимеризация: nCH2=CH2 = (-CH2-CH2-)n
Получение и применение
Молекулярные вещества широко используются в самых разных областях благодаря своим уникальным свойствам. Рассмотрим основные способы их получения и практического применения.
В промышленности для получения молекулярных веществ используются различные химические процессы:
- Электролиз - получение веществ путем прохождения электрического тока через расплав или раствор электролита. Так можно получить хлор, водород, кислород.
- Синтез из простых веществ - соединение простых веществ с образованием сложного. Например, синтез аммиака из азота и водорода.
- Гидратация нефти и газа - получение сероводорода, метана и других углеводородов.
- Ферментация - использование ферментов микроорганизмов для синтеза этанола, уксусной кислоты.
В лабораториях молекулярные вещества получают путем химических реакций из других веществ. Для этого используют специальное лабораторное оборудование: колбы, реакторы, дистилляторы, химические реактивы. Важно соблюдать технику безопасности и правила работы с веществами.
Применение в быту
В быту наиболее распространены такие молекулярные вещества, как:
- Вода - для питья, мытья, стирки, приготовления пищи.
- Спирты (этанол, пропанол) - как растворители и антисептики.
- Уксусная кислота - для приготовления маринадов, консервирования.
- Моющие средства - на основе ПАВ, щелочей.
- Сжиженные газы (пропан, бутан) - как топливо.
Применение в медицине
Молекулярные вещества широко используются в медицине:
- Кислород - в ингаляциях, реанимации.
- Хлороформ, эфир - как наркозные средства.
- Спирты - для обработки ран, как антисептики.
- Формальдегид - для дезинфекции.
- Лекарственные препараты - анальгетики, антибиотики.
Применение в промышленности
В промышленном производстве используются:
- Аммиак - для получения азотных удобрений, красителей.
- Серная кислота - в производстве красителей, взрывчатых веществ.
- Ацетилен - как горючий газ для сварки и резки металлов.
- Фреоны - как хладагенты в холодильниках и кондиционерах.
Перспективы применения
В будущем возможно использование молекулярных веществ:
- В нанотехнологиях - для создания новых материалов.
- В ядерной энергетике - в качестве теплоносителей.
- В фармацевтике - для целевой доставки лекарств.
- В электронике - в молекулярных сенсорах и процессорах.
