Молекулы
Из чего на самом деле сложены вода, воздух и камень вокруг тебя — атомы и молекулы, чем они отличаются друг от друга, какие вещества обходятся вовсе без молекул и как учёные умудрились оценить размер частицы, которую никто никогда не видел глазами.
Возьми каплю воды и раздели её пополам. Потом ещё раз пополам. И ещё. Сколько раз можно так делить кусочек воды и всё ещё честно называть его водой?
Объяснять, чем атом отличается от молекулы, и как из ограниченного набора атомов получается разнообразие веществ вокруг нас.
Перечислять вещества-исключения, которые состоят прямо из атомов, и приводить пример превращения одних молекул в другие (кислород → озон).
Описывать, как учёные экспериментально оценили размер молекулы и что подтверждает её реальное существование.
Атом — буква, молекула — слово
Возьми любой предмет вокруг — стакан воды, кусок сахара, воздух, которым дышишь. Все они разные на ощупь, на вкус, по запаху. А теперь вопрос: сколько вообще существует разных «сортов» строительного материала, из которого природа лепит всё это разнообразие? Один? Сто? Миллион?
Ответ удивительно скромный: около сотни. Представь конструктор LEGO, где в коробке — не тысячи уникальных фигурок, а всего несколько десятков базовых кирпичиков разной формы. Из них при этом можно собрать замок, корабль или космическую станцию — смотря как соединить. Природа устроена похоже: у неё есть ограниченный набор «кирпичиков»-атомов, а всё богатство веществ вокруг — это то, как их скомбинировали.
Каждая разновидность атома (элемент) имеет своё название и обозначение; на сегодняшний день открыто 118 разновидностей атомов.
Молекула вещества — это мельчайшая частица данного вещества.
Атомы могут образовывать небольшие устойчивые группы; эти группы Гассенди назвал молекулами, то есть «массочками» (от лат. moles — масса).
Держи в голове простое сравнение: атом — это буква алфавита (таких «букв»-элементов известно 118), а молекула — слово, собранное из этих букв. Как из одних и тех же 33 русских букв получаются десятки тысяч разных слов, так из 118 атомов получаются миллионы разных молекул — то есть веществ.
Каждому веществу соответствует свой тип молекул: например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, молекула углекислого газа — из двух атомов кислорода и одного атома углерода, молекула озона — из трёх атомов кислорода.
Возьмём три молекулы, в которых обязательно есть атом кислорода: воду, углекислый газ и озон.
Молекула воды: один атом кислорода плюс два атома водорода — итого три атома.
Молекула углекислого газа: два атома кислорода плюс один атом углерода — тоже три атома, но других.
Молекула озона: три атома кислорода — и никаких других атомов вообще.
Число атомов почти одинаковое (три), но состав и порядок разные — поэтому вода, углекислый газ и озон ведут себя совершенно по-разному: воду пьём, углекислый газ выдыхаем и им же шипит газировка, а озон высоко в небе защищает нас от ультрафиолета.
Атом и молекула — это, по сути, одно и то же, просто разные слова для одной частицы.
Атом — отдельная частица одного элемента (одна «буква»); молекула — устойчивая группа атомов, характерная именно для данного вещества (готовое «слово», а у веществ-исключений — сама эта «буква» без сборки в слово).
В молекуле воды и в молекуле углекислого газа есть один и тот же атом — кислород. Значит ли это, что вода и углекислый газ чем-то похожи по свойствам?
показать
В молекуле воды и в молекуле углекислого газа есть один и тот же атом — кислород. Значит ли это, что вода и углекислый газ чем-то похожи по свойствам?
Нет: важен не только «какой атом входит», но и в каком числе и с какими соседями. У воды — 1 кислород + 2 водорода, у углекислого газа — 2 кислорода + 1 углерод; это два совершенно разных типа молекул и, значит, разных вещества.
Из чего состоит молекула углекислого газа?
Не всё состоит из молекул
Если всё состоит из молекул — «пакетиков» из атомов, — то что произойдёт, если такой пакетик разобрать? И правда ли ВСЁ вокруг обязательно упаковано в молекулы?
Вернёмся к конструктору LEGO. Иногда деталь так и остаётся одиночным кирпичиком — никто не собрал её в фигурку, она просто лежит в коробке сама по себе. С веществом бывает так же: некоторые вещества — это просто россыпь одинаковых атомов, без сборки в характерные для этого вещества группы.
Существуют вещества, которые состоят не из молекул, а из атомов — например, кремний, сера, мышьяк, некоторые газы (неон, гелий и др.).
Запомнить список проще всего так: три «твёрдых одиночки» — кремний, сера, мышьяк — и «газы-одиночки» — неон, гелий и им подобные. Они не собираются в характерные для себя молекулы, а существуют прямо как атомы.
А теперь про превращения. Атомы не приклеены друг к другу навечно: молекула может разделиться на атомы, а атомы — снова собраться в молекулу. И необязательно в ту же самую!
Молекулы могут делиться на атомы и, наоборот, атомы могут соединяться в молекулы; при слиянии или делении молекул образуются новые вещества с другими свойствами (например, из молекул кислорода под действием ультрафиолетового излучения образуется озон, молекулы которого содержат по три атома кислорода).
Основная масса озонового слоя расположена на высоте 20—25 км над Землёй — здесь сосредоточена основная масса слоя, который защищает живое от избытка ультрафиолета.
Обычный воздух содержит кислород: молекула O₂ — два атома кислорода, скреплённых друг с другом.
Высоко в атмосфере на эти молекулы попадает ультрафиолетовое излучение Солнца.
Под его действием молекулы O₂ распадаются на отдельные атомы кислорода.
Часть этих атомов снова соединяется — но уже не по двое, а по трое: получается молекула озона O₃.
Кислород и озон состоят из одних и тех же атомов, но это два разных вещества с разными свойствами: озон, в отличие от обычного кислорода, задерживает ультрафиолет и защищает всё живое на высоте 20—25 км.
Кислород O₂ и озон O₃ — это одно и то же вещество в разном количестве, или два разных вещества?
показать
Кислород O₂ и озон O₃ — это одно и то же вещество в разном количестве, или два разных вещества?
Два разных вещества: хотя оба состоят только из атомов кислорода, у молекулы озона на один атом больше, и свойства другие — например, именно озон, а не обычный кислород, задерживает ультрафиолет.
Какие вещества из перечисленных состоят не из молекул, а прямо из атомов?
Атомы, которых никто не видел
Атом никто и никогда не видел глазами — он в миллионы раз меньше, чем то, что различает человеческий глаз. Как тогда учёные вообще додумались, что он существует, да ещё и сумели прикинуть его размер?
Представь, что тебе нужно узнать толщину одной-единственной чешуйки краски, но нет ни линейки, ни микроскопа, которые бы её измерили. Зато есть банка краски известного объёма и ровный пол. Если растянуть краску по полу максимально тонким слоем, наступит момент, когда тоньше уже не получится — слой станет толщиной ровно в одну чешуйку. Измерив площадь пятна и объём краски, эту толщину можно вычислить. Похожим способом больше ста лет назад оценили размер молекулы.
d ≈ 10⁻⁹ м — оценка диаметра молекулы, полученная в опыте с масляной плёнкой (Рентген, Рэлей): капля спиртового раствора масла растекается по воде, толщина полученной плёнки не может быть меньше диаметра молекулы масла.
10⁻⁹ метра — это одна миллиардная часть метра, то есть нанометр. Чтобы почувствовать масштаб: выстрой миллиард таких молекул в шеренгу одна за другой — и только тогда шеренга дотянется до метровой линейки.
Берут каплю спиртового раствора масла известного объёма и аккуратно капают на спокойную поверхность воды.
Масляная плёнка растекается по воде в круглое пятно — вода служит гладкой подложкой, на которой плёнка может растянуться очень тонко.
Пятно расползается до тех пор, пока плёнка не станет толщиной ровно в одну молекулу масла — тоньше она физически стать не может, соседних слоёв в ней просто не остаётся.
Измерив площадь пятна и зная объём исходной капли, оценили толщину предельно тонкой плёнки d — величина порядка 10⁻⁹ м.
Это и есть первая экспериментальная оценка размера одной молекулы масла.
Экспериментальные исследования строения вещества показали: во-первых, все вещества состоят из молекул или атомов, между которыми существуют промежутки; во-вторых, молекулы одного и того же вещества одинаковы.
Оба вывода важны. Первый объясняет, почему вещество вообще можно сжать или почему запах постепенно заполняет комнату — между частицами есть пустые промежутки, и через них есть куда двигаться. Второй объясняет, почему кусок сахара всегда сахар: сколько бы кусочков ты ни взял, их молекулы — точные копии друг друга.
Реальность атомов и молекул подтверждена прямыми наблюдениями с помощью современных приборов — электронных и туннельных микроскопов, позволяющих получить изображения отдельных молекул и атомов; до этого их существование доказывалось лишь косвенным путём.
Если бы плёнка в опыте Рентгена и Рэлея могла растечься в тысячу раз тоньше, что бы это означало?
показать
Если бы плёнка в опыте Рентгена и Рэлея могла растечься в тысячу раз тоньше, что бы это означало?
Это означало бы, что молекулу масла можно «разрезать» на более мелкие части. На самом деле плёнка тоньше одной молекулы не растекается — именно поэтому её предельная толщина и стала оценкой размера целой, неделимой в этом опыте молекулы.
Учёные измерили площадь растёкшегося масляного пятна и объём капли. Что из этого можно было оценить?
Делить можно долго — вплоть до одной-единственной молекулы воды: она уже мельчайшая частица данного вещества, и это всё ещё вода. Но раздели её ещё раз — расколи саму молекулу — и вода закончится: получатся отдельные атомы кислорода и водорода, из которых можно собрать что угодно, только не воду в прежнем виде (например, из атомов кислорода получится совсем другое вещество, как в истории с озоном). Граница деления, после которой вещество перестаёт быть собой, — это и есть молекула.
Молекула — мельчайшая частица данного вещества; атом — отдельная частица одного из 118 известных элементов.
У каждого вещества — свой тип молекулы: вода (O + 2H), углекислый газ (2O + C), озон (3O) состоят из одних и тех же атомов кислорода, но в разном числе и компании.
Не всё состоит из молекул: кремний, сера, мышьяк и некоторые газы (неон, гелий) состоят прямо из атомов.
Молекулы делятся на атомы и собираются заново — иногда в молекулы другого вещества с другими свойствами (кислород → озон).
Размер молекулы (d ≈ 10⁻⁹ м) впервые оценили по толщине масляной плёнки; сегодня атомы и молекулы видят напрямую в электронные и туннельные микроскопы.
- Молекула
Мельчайшая частица данного вещества.
- Атом
Частица одного из 118 известных элементов; сама по себе или в составе молекулы образует вещество.
- Элемент
Разновидность атома со своим названием и обозначением.
- Озон
Газ, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (O₃); образуется из обычного кислорода (O₂) под действием ультрафиолета.
- d (в опыте с плёнкой)
Толщина масляной плёнки на воде, по порядку величины равная диаметру молекулы масла (d ≈ 10⁻⁹ м).
Молекула — мельчайшая частица данного вещества; атом — частица одного из 118 известных элементов.
- Каждому веществу — свой тип молекулы: вода (1 O + 2 H), углекислый газ (2 O + 1 C), озон (3 O).
- Вещества-исключения без молекул: кремний, сера, мышьяк, некоторые газы (неон, гелий и др.).
- Молекулы делятся на атомы и собираются заново — иногда в молекулы другого вещества (O₂ → O₃, озоновый слой на высоте 20—25 км).
- Опыт с масляной плёнкой (Рентген, Рэлей): d ≈ 10⁻⁹ м — оценка диаметра молекулы.
- Два вывода экспериментов: между частицами есть промежутки; молекулы одного вещества одинаковы.
- Атомы и молекулы сегодня видят напрямую в электронные и туннельные микроскопы.
Слово «молекула» придумал Пьер Гассенди в XVII веке — оно означает «массочка» (от лат. moles — масса).
Сегодня существование атомов и молекул не только предполагают, но и видят: электронные и туннельные микроскопы дают настоящие изображения отдельных атомов и молекул.
Опыт, которым больше ста лет назад оценили размер молекулы, обошёлся без сложных приборов — только капля масла, вода и линейка, — а угадал верный порядок величины, 10⁻⁹ м.
Что такое молекула вещества?
Мельчайшая частица данного вещества.
Пылинка, которую ты видишь под школьным микроскопом, — это молекула вещества?