§ 32. Молекулы

Определения и обозначения

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, связанных между собой. Это понятие помогает описывать состав вещества и объяснять, почему при химических превращениях меняются частицы.

Атом — частица химического элемента, из которой состоят молекулы. В одной молекуле могут соединяться атомы одного элемента, как в кислороде O₂, или разных элементов, как в воде H₂O. Различие между атомом и молекулой нужно, чтобы верно читать химические формулы и описывать состав вещества.

Относительная молекулярная масса Mᵣ показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода-12. Это отношение двух масс, поэтому Mᵣ не имеет единицы измерения. Величина удобна для сравнения молекул и вычисления их массы.

Атомная единица массы u — единица для выражения масс атомов и молекул, равная 1/12 массы атома углерода-12. Её значение приблизительно равно 1,66 · 10⁻²⁷ кг. Использование такой единицы позволяет записывать чрезвычайно малые массы компактно и сопоставлять их между собой.

Как это устроено

Вещества состоят из частиц, и во многих случаях такими частицами служат молекулы. Например, вода состоит из молекул H₂O, а кислород при обычных условиях — из молекул O₂. Молекулы одной и той же чистой субстанции имеют одинаковый состав, потому что именно он связан с её химическими свойствами. Однако существуют вещества с немолекулярным строением, поэтому утверждать, что любое вещество состоит из молекул, нельзя.

Состав молекулы задаётся тем, атомы каких элементов и в каком количестве в неё входят. Эти атомы образуют определённое сочетание, которое записывают химической формулой: индекс показывает число атомов элемента, если он есть. Так, H₂O и H₂O₂ содержат водород и кислород, но в разном соотношении, поэтому это разные вещества с разными молекулами. Разные сочетания атомов дают разные химические свойства.

Размер молекулы напрямую измерить трудно, но его можно оценить через тонкую плёнку. Если известны объём вещества V и площадь поверхности S, то при равномерном распределении толщина слоя равна d = V/S. Когда молекулы выстроены в один слой, толщина плёнки приблизительно совпадает с размером молекулы. Это оценка: результат зависит от того, насколько равномерно распределилось вещество и действительно ли получился один слой.

Массы молекул очень малы, поэтому выражать их только в килограммах неудобно: пришлось бы записывать числа порядка 10⁻²⁶ кг и меньше. Атомная единица массы задаёт удобный общий масштаб для атомов и молекул. Относительная молекулярная масса показывает, сколько таких условных долей приходится на молекулу, и позволяет сравнивать её с другими. Если известна Mᵣ, массу одной молекулы можно найти умножением на u.

Для вычисления Mᵣ используют относительные атомные массы элементов из таблицы. Сначала каждую такую массу умножают на число атомов этого элемента в молекуле, а затем результаты складывают. Например, в CO₂ один атом углерода и два атома кислорода, поэтому Mᵣ = 12 + 2 · 16 = 44. Такой расчёт показывает, почему индексы в химической формуле нельзя игнорировать.

Основные характеристики молекул

Чтобы оценить размер, используйте объём и площадь плёнки, а для массы в килограммах — относительную молекулярную массу и u. При расчёте Mᵣ сначала проверьте индексы в формуле: они задают, сколько атомов каждого элемента нужно учесть. Эта таблица помогает не путать безразмерные отношения с величинами, имеющими единицы измерения.

Разбор задач

Задача 1. В тонком слое масла объёмом 1 мм³ покрыта площадь 0,5 м². Оцените толщину слоя и размер молекулы, если молекулы выстроились в один слой. Используем связь объёма слоя с его площадью и толщиной: V = Sd. После перевода единиц вычислим d = V/S.

1. Переведём объём в СИ: 1 мм³ = 10⁻⁹ м³, площадь уже дана в квадратных метрах.
2. Подставим значения: d = 10⁻⁹ м³ / 0,5 м² = 2 · 10⁻⁹ м.
3. Так как молекулы образуют один слой, размер молекулы примерно равен толщине плёнки.

Ответ: толщина слоя и примерный размер молекулы равны 2 · 10⁻⁹ м. Это оценка, поскольку в реальном опыте слой может быть не идеально равномерным. Следить за единицами особенно важно: деление объёма в м³ на площадь в м² даёт длину в метрах.

Задача 2. Найдём относительную молекулярную массу воды H₂O. По формуле видно, что в молекуле два атома водорода и один атом кислорода. Используем относительные атомные массы Aᵣ(H) = 1 и Aᵣ(O) = 16.

1. Умножим относительную атомную массу водорода на число его атомов: 2 · 1 = 2.
2. Для кислорода учтём один атом: 1 · 16 = 16.
3. Сложим полученные значения: Mᵣ(H₂O) = 2 + 16 = 18.

Ответ: относительная молекулярная масса воды равна 18. Единицу измерения к этому числу не приписывают, поскольку это отношение масс. Индекс 2 относится только к водороду, поэтому массу кислорода умножать на два не нужно.

Задача 3. Определим массу одной молекулы углекислого газа CO₂. Сначала найдём её относительную молекулярную массу, используя Aᵣ(C) = 12 и Aᵣ(O) = 16. Затем умножим результат на u ≈ 1,66 · 10⁻²⁷ кг.

1. В формуле CO₂ один атом углерода и два атома кислорода: Mᵣ = 12 + 2 · 16 = 44.
2. Применим формулу массы молекулы: m = Mᵣu = 44 · 1,66 · 10⁻²⁷ кг.
3. Перемножим числа: m ≈ 73,04 · 10⁻²⁷ кг = 7,3 · 10⁻²⁶ кг.

Ответ: масса молекулы CO₂ приблизительно равна 7,3 · 10⁻²⁶ кг. Перевод к стандартной записи степени десяти помогает избежать ошибки в порядке величины. Масса одной молекулы выражается в килограммах, в отличие от Mᵣ.

Типичные ошибки

Считать молекулу и атом одним и тем же — значит смешивать частицу элемента с частицей вещества. Так ошибаются, потому что обе частицы слишком малы и часто упоминаются рядом. Проверьте себя: молекула H₂O содержит три атома, а атом кислорода не является молекулой воды.

При вычислении Mᵣ иногда складывают относительные атомные массы, но забывают умножить их на индексы формулы. Причина — невнимательное чтение записи, особенно если в формуле несколько элементов. Для проверки выпишите количество атомов каждого вида: в CO₂ кислорода два, значит его вклад равен 2 · 16.

Приписывать относительной молекулярной массе единицу измерения неверно. Её могут путать с массой молекулы, которую действительно выражают в килограммах, или с атомной единицей массы. Проверьте определение: Mᵣ — отношение двух масс, поэтому единицы сокращаются и остаётся безразмерное число.

Атомную единицу массы нельзя считать массой конкретной молекулы: это единица сравнения, а молекулярная масса — физическая величина. Ошибка возникает из-за того, что обе величины используют при описании очень малых частиц. Для самопроверки различайте обозначения: u — единица, а m = Mᵣu — масса молекулы в килограммах.

Связь с другими темами

Для изучения молекул нужно знать, что вещества состоят из частиц, и уметь читать химические формулы. При вычислениях пригодятся степени десяти и перевод единиц в СИ, особенно при оценке толщины плёнки. Размеры и массы молекул понадобятся при изучении теплового движения, диффузии и молекулярно-кинетической теории: там свойства вещества объясняют движением и взаимодействием частиц.

Что запомнить

• Молекула — частица вещества, сохраняющая его химические свойства.
• Молекулы состоят из атомов.
• Молекулы имеют очень малые размеры и массы.
• Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс всех атомов в молекуле.
• Относительная молекулярная масса не имеет единицы измерения.
• Атомная единица массы равна 1/12 массы атома углерода-12.