Большая Советская Энциклопедия (МО)

Большая Советская Энциклопедия

Молекула

Моле'кула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса), наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. М. состоит из атомов, точнее — из атомных ядер, окружающих их внутренних электронов и внешних валентных электронов, образующих химические связи (см. Валентность ). Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул данного вещества не зависят от способа его получения. В случае одноатомных молекул (например, инертных газов) понятия М. и атома совпадают.

Впервые понятие о М. было введено в химии в связи с необходимостью отличать М. как наименьшее количество вещества, вступающее в химические реакции, от атома как наименьшего количества данного элемента, входящего в состав М. (Международный конгресс в Карлсруэ, 1860). Основные закономерности строения М. были установлены в результате исследования химических реакций, анализа и синтеза химических соединений, а также благодаря применению ряда

физических методов.

Атомы объединяются в М. в большинстве случаев химическими связями. Как правило, такая связь создаётся одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома. М. может содержать положительно и отрицательно заряженные атомы, т. е. ионы; в этом случае реализуются электростатические взаимодействия. Помимо указанных, в М. существуют и более слабые взаимодействия между атомами. Между валентно не связанными атомами действуют силы отталкивания.

Состав М. выражают формулами химическими . Эмпирическая формула (например, С₂ Н₆ О для этилового спирта) устанавливается на основании атомного соотношения содержащихся в веществе элементов, определяемого химическим анализом, и молекулярной массы .

Развитие учения о структуре молекул неразрывно связано с успехами прежде всего органической химии. Теория строения органических соединений, созданная в 60-х гг. 19 в. трудами А. М. Бутлерова , Ф. А. Кекуле , А. С. Купера и др., позволила представить строение молекул структурными формулами или формулами строения, выражающими последовательность валентных химических связей в М. При одной и той же эмпирической формуле могут существовать М. разного строения, обладающие различными свойствами (явление изомерии ). Таковы, например, этиловый спирт С₅ Н₅ ОН и диметиловый эфир (СН₃ )₂ О. Структурные формулы этих соединений разнятся:

В некоторых случаях изомерные М. быстро превращаются одна в другую и между ними устанавливается динамическое равновесие (см. Таутомерия ). В дальнейшем Я. Х. Вант-Гофф и независимо французский химик А. Ж. Ле Бель пришли к пониманию пространственного расположения атомов в молекуле и к объяснению явления стереоизомерии. А. Вернер (1893) распространил общие идеи теории строения на неорганические комплексные соединения. К началу 20 в. химия располагала подробной теорией строения М., исходящей из изучения только их химических свойств. Замечательно, что прямые физические методы исследования, развитые позднее, в подавляющем большинстве случаев полностью подтвердили структурные формулы химии, установленные путём исследования макроскопических количеств вещества, а не отдельных М.

В физике понятие о М. оказалось необходимым для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Прямое экспериментальное доказательство существования М. впервые было получено при изучении броуновского движения (французский физик Ж. Перрен, 1906).

В твёрдом теле М. могут сохранять или не сохранять свою индивидуальность. Так, большинство М. органических соединений образует молекулярные кристаллы , в узлах решёток которых находятся М., связанные одна с другой относительно слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Напротив, в ионных (например, в случае NaCI) и атомных (алмаз) кристаллах нет отдельных М. и весь кристалл подобен одной М. (см. Кристаллохимия ). Структура М. может изменяться при переходе от кристалла к газу. Так, N₂ O₅ в газе состоит из единых М., в кристалле — из ионов NO₂⁺ и NO₃^– ; газообразный PCI₅ — из М. с конфигурацией тригональной бипирамиды, твёрдый — из октаэдрического иона PCl₆^– и тетраэдрического иона PCl₄⁺ .

Равновесные межъядерные расстояния r₀ и энергии диссоциации D (при 25°С) некоторых двухатомных молекул

Молекула	r0,	D, кдж/моль (ккал/моль )	Молекула	r ,	D,Кдж/моль (ккал/моль )
H2	0,74	426,5 (104,18)	Br2	2,14	192,7 (46)
Li2	2,67	104,7 (25)	I2	2,67	147,1 (35,1)
N2	1,09	94,3 (22,5)	LiH	1,59	243 (58)
O2	1,21	495,7 (118,3)	NaH	1,89	196,9 (47)
F2	1,48	155 (37)	HhF	0,92	565,6 (135)
Na2	3,08	78,5 (17,3)	HCl	1,27	431,6 (103)
Cl2	1,99	242,6 (57,9)	HI	1,60	264 (63)

Строение

молекул. Геометрическая структура М. определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю; если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи); при дальнейшем сближении атомов действуют электростатические силы отталкивания атомных ядер; препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек. На рис. 1 показана зависимость потенциальной энергии двухатомной М. от межъядерного расстояния r . Эта энергия минимальна при равновесном расстоянии r , стремится к нулю при r ® yen и возрастает до yen при r ® 0. Разность энергий при r = r и r ® yen характеризует энергию связи, энергию диссоциации D . Равновесные расстояния r в двухатомных и многоатомных М. и, следовательно, расположение атомных ядер в М. определяются методами спектроскопии, рентгеновского структурного анализа и электронографии , а также нейтронографии , позволяющими получить сведения и о распределении электронов (электронной плотности) в М. Рентгенографическое изучение молекулярных кристаллов даёт возможность установить геометрическое строение очень сложных М., вплоть до М. белков. Косвенную, но весьма детальную информацию о строении сложных М. получают различными спектроскопическими методами, в особенности с помощью спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Геометрия простых М., содержащих малое число атомов, также эффективно исследуется методами спектроскопии. Расстояния (в ) между 2 данными валентно связанными атомами приблизительно постоянны в М. различных соединений, они уменьшаются с увеличением кратности связи:

C—C…………….	1,54	C—F……………..	1,39
C=C……………...	1,34	C—Cl…………….	1,77
C- - -C (в бензоле)...	1,39	C—Br…………….	1,92
CoC……………...	1,2	C—I………………	2,1
C—H……………..	1,09	C—S……………..	1,82
C—O……………..	1,42	O—H…………….	0,96
C=O……………...	1,21	N—H……………..	1,01
C—N……………..	1,46	S—H……………..	1,35

Можно приписать каждому атому в данном валентном состоянии в М определённый атомный, или ковалентный, радиус (в случае ионной связи — ионный радиус, см. Атомные радиусы , Ионные радиусы ), характеризующий размеры электронной оболочки атома (иона), образующего химическую связь в М. Представление о приблизительном постоянстве этих радиусов оказывается полезным при оценке межатомных расстояний и, следовательно, при расшифровке структуры М. Длина связи представляет собой сумму соответствующих атомных радиусов.