§ 13. Молекулы

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, например молекула воды включает атомы водорода и кислорода. Это понятие помогает понять, какая частица представляет конкретное вещество.

Атом — мельчайшая частица химического элемента, входящая в состав молекул или существующая самостоятельно. Например, молекула воды состоит из атомов двух элементов. Различие между атомом и молекулой нужно, чтобы правильно описывать состав вещества.

Молекулярное строение вещества — представление о том, что вещество состоит из отдельных частиц, разделённых промежутками. Частицы не образуют сплошную массу, даже если вещество кажется цельным. Эта модель помогает объяснять, как вещества могут смешиваться и изменять свои свойства.

Размер молекулы — чрезвычайно малая величина, которую оценивают косвенными опытами. Отдельную частицу нельзя измерить обычной линейкой, поэтому используют наблюдаемые эффекты, например образование тонкой плёнки. Знание размера позволяет сравнивать молекулы и оценивать их количество в веществе.

Как это устроено

Многие наблюдения подсказывают, что вещество не является непрерывной массой. Например, капля красящего вещества постепенно окрашивает воду, хотя её тщательно перемешивают, а запах распространяется по комнате. Такие процессы можно объяснить движением очень маленьких частиц, которые проникают между частицами другого вещества. Поэтому учёные пришли к представлению о частичном строении веществ.

Молекулу называют наименьшей частицей вещества, сохраняющей его химические свойства, потому что именно в ней сохраняются характерные сочетание и связи атомов. Если молекулу разделить на составляющие атомы, получившиеся частицы уже не будут представлять исходное вещество. Например, из молекулы воды нельзя получить «мельчайшую воду», просто отделив от неё часть: при разрушении меняется состав частицы. Значит, граница химических свойств проходит на уровне молекулы.

Молекулы состоят из атомов, но одинаковые атомы могут образовывать разные сочетания. Меняются число атомов, их виды или расположение — меняется и молекула, а вместе с ней свойства вещества. Это объясняет, почему вещества, в составе которых есть одни и те же химические элементы, не обязательно одинаковы. Состав молекулы показывает, из каких атомов она образована, а строение — как они соединены.

Размер отдельной молекулы слишком мал, чтобы увидеть её невооружённым глазом или измерить обычным школьным инструментом. Поэтому размер оценивают косвенно: проводят опыт, измеряют доступные величины, а затем связывают результат с частицами. Например, можно определить, насколько тонким слоем растеклось известное количество масла. Такой расчёт даёт оценку порядка величины, а не обязательно точный размер каждой молекулы.

В малом объёме вещества находится огромное число молекул, потому что размер каждой частицы чрезвычайно мал. Даже цепочка длиной всего в миллиметр может вместить множество частиц, расположенных одна за другой. Это не означает, что их можно различить глазом: наши глаза воспринимают совокупность частиц, а не каждую отдельно. Огромное количество молекул и их движение помогают объяснять наблюдаемые свойства вещества.

Сравнение молекулы и атома

Сравнивая частицы, сначала выясни, обозначает ли слово целую частицу вещества или отдельную частицу элемента. Затем проверь, из чего она состоит и сохраняет ли свойства исходного вещества. Таблица помогает не путать молекулу с атомом, но размер обеих частиц нельзя оценить простым наблюдением.

Разбор задач

Состав молекул

Определим, какие частицы входят в молекулу воды, кислорода и углекислого газа. Здесь важно не смешивать название вещества с названием элемента: молекула может включать атомы одного или нескольких элементов. Пользуемся известным составом молекул: вода обозначается H₂O, кислород — O₂, углекислый газ — CO₂. Индекс показывает число атомов соответствующего элемента.

1. В H₂O индекс 2 относится к водороду, а у кислорода индекс не написан, значит, его атом один.
2. В O₂ есть два атома кислорода, поэтому молекула кислорода состоит из двух одинаковых атомов.
3. В CO₂ один атом углерода и два атома кислорода, так как у C индекса нет, а у O стоит индекс 2.

Ответ: молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода; молекула кислорода — два атома кислорода; молекула углекислого газа — один атом углерода и два атома кислорода. Индексы относятся только к символу элемента перед ними. Так запись формулы превращается в перечень атомов.

Число частиц в цепочке

Оценим, сколько молекул разместится в цепочке длиной 1 мм, если размер молекулы равен 10⁻⁹ м. Для деления длины на размер частицы сначала переведём всё в метры. В такой оценке считаем, что молекулы расположены вплотную друг к другу в один ряд. Реальные расстояния и форма частиц могут изменить результат, поэтому он приблизительный.

1. Переводим длину: 1 мм = 0,001 м = 10⁻³ м.
2. Находим отношение длины цепочки к размеру молекулы: N = 10⁻³ м / 10⁻⁹ м.
3. При делении степеней с одинаковым основанием вычитаем показатели: N = 10⁶.

Ответ: в цепочке длиной 1 мм может уместиться примерно 1 000 000 молекул. Метры в числителе и знаменателе сокращаются, поэтому результат — число частиц без единиц измерения. Получается очень большое количество даже на коротком отрезке.

Толщина масляной плёнки

Капля масла объёмом 0,001 см³ растеклась по воде на площади 1 м². Нужно найти толщину слоя и сравнить её с предполагаемым размером молекулы. Если плёнка равномерная, её объём равен произведению площади на толщину, поэтому h = V / S. Сначала переведём объём в кубические метры, чтобы единицы совпадали.

1. Переводим объём: 1 см³ = 10⁻⁶ м³, значит, 0,001 см³ = 10⁻⁹ м³.
2. Подставляем значения: h = 10⁻⁹ м³ / 1 м² = 10⁻⁹ м.
3. Полученную толщину сравниваем с размером молекулы, который по условию рассматриваемого опыта оцениваем порядком 10⁻⁹ м.

Ответ: толщина плёнки составляет около 10⁻⁹ м, то есть имеет порядок предполагаемого размера молекулы. Этот опыт даёт приблизительную оценку: расчёт предполагает равномерное растекание масла и очень тонкий слой. Если слой состоит примерно из одного слоя частиц, его толщина позволяет судить о размере молекулы.

Типичные ошибки

Ошибочно считать молекулу неделимой частицей. Так думают, потому что в простых моделях её изображают одной точкой или шариком, но многие молекулы состоят из нескольких атомов. Проверь себя: спроси, можно ли описать состав частицы символами разных элементов. Если да, перед тобой молекула из атомов.

Не путай молекулу с веществом целиком. Молекула — одна частица, а вещество включает огромное количество таких частиц. Путаница возникает, когда говорят «вода состоит из воды» и не различают единичную молекулу и образец вещества. Для проверки представь каплю: она содержит множество молекул, а не одну.

Нельзя утверждать, что все частицы вещества имеют одинаковые размеры и форму. Частицы разных веществ могут отличаться, а молекулы сложного строения не обязательно похожи на шарики. Такое обобщение появляется из-за упрощённых рисунков, где атомы и молекулы обозначают кружками. Проверяй, говорится ли о конкретном веществе или о частицах вообще.

Молекулы не видны в обычный микроскоп. Его изображение может показывать очень мелкие объекты, но отдельная молекула намного меньше доступного для такого наблюдения масштаба. Ошибку допускают, путая наблюдение множества частиц с наблюдением одной. Спроси себя, измерили ли частицу непосредственно или её размер вычислили по результату опыта.

Связь с другими темами

До изучения молекул полезно различать физическое тело, вещество и физическое явление: тело сделано из вещества, а явление — это изменение или действие, которое можно наблюдать. Представление о частицах пригодится при объяснении диффузии, броуновского движения и взаимодействия молекул. Оно также помогает разбирать агрегатные состояния, давление газа и тепловые явления. В этих темах свойства вещества связывают с движением и расположением его частиц.

Что запомнить

• Вещество состоит из мельчайших частиц.
• Молекула сохраняет химические свойства вещества.
• Молекулы состоят из атомов.
• Между частицами вещества есть промежутки.
• Молекулы чрезвычайно малы и многочисленны.
• Размер молекул определяют косвенными опытами.