# Молекулы

Физика · 7 класс · Строение вещества
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/7/8-molekuly

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.

## Чему научишься

- 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.

## С чего начать

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?

## 1. Атом — буква, молекула — слово

*Из чего сложено любое вещество*

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.

**Атомы и элементы**

Каждая разновидность атома (элемент) имеет своё название и обозначение; на сегодняшний день открыто 118 разновидностей атомов.

**Что такое молекула**

Молекула вещества — это мельчайшая частица данного вещества.

**Откуда взялось слово «молекула»**

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.

**У каждого вещества — свой тип молекулы**

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.

*Рисунок: Молекулы воды, углекислого газа и озона: один и тот же атом кислорода, но разное число атомов-соседей — разные вещества.*

**Пример: Один и тот же атом — три разных вещества**

1. Возьмём три молекулы, в которых обязательно есть атом кислорода: воду, углекислый газ и озон.
2. Молекула воды: один атом кислорода плюс два атома водорода — итого три атома.
3. Молекула углекислого газа: два атома кислорода плюс один атом углерода — тоже три атома, но других.
4. Молекула озона: три атома кислорода — и никаких других атомов вообще.
5. 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.

**Неправильно:** Атом и молекула — это, по сути, одно и то же, просто разные слова для одной частицы.
**Правильно:** 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).

**Проверь себя:** 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?
**Ответ:** 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.

### Проверь себя

**Из чего состоит молекула углекислого газа?**
- Из двух атомов кислорода и одного атома углерода. — верно
- Из одного атома кислорода и двух атомов углерода.
- Из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
- Из трёх атомов кислорода, без углерода и водорода.
> Молекула CO₂ — два атома кислорода и один атом углерода; перепутать легко с молекулой воды, где наоборот — один кислород и два водорода.

**У вещества А молекула состоит из двух атомов кислорода и одного атома серы, у вещества Б — из трёх атомов кислорода и одного атома серы. Это одно и то же вещество?**
- Да, ведь в обеих молекулах одинаковые атомы — кислород и сера, а их число не так важно.
- Нет: атомов кислорода разное число, а значит это разные типы молекул — то есть разные вещества. — верно
- Да, если оба вещества находятся в твёрдом агрегатном состоянии при комнатной температуре.
- Нельзя сказать без измерения точной массы и плотности каждой отдельной молекулы.
> Тип молекулы, а значит и вещество, определяется не только тем, какие атомы входят в состав, но и их точным числом.

**Верно ли утверждение: «Любая молекула — это то же самое, что атом, просто под другим названием»?**
- Верно: в физике атом и молекула — это просто два разных названия одной и той же частицы.
- Верно, но только если вещество состоит из атомов исключительно одного-единственного вида.
- Неверно: атом — частица элемента, молекула — устойчивая группа атомов для вещества. — верно
- Неверно, потому что атомы почти всегда крупнее и тяжелее готовых молекул любого вещества.
> Молекула — не другое слово для атома, а группа атомов (для веществ-исключений — сам атом), характерная для конкретного вещества.

## 2. Не всё состоит из молекул

*И молекулы умеют превращаться в другие вещества*

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.

**Вещества без молекул**

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 делятся и собираются заново**

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).

*Рисунок: Кислород (O₂), которым мы дышим, под действием ультрафиолета превращается в озон (O₃); основная масса озонового слоя лежит на высоте 20—25 км и задерживает лишний ультрафиолет.*

**Где живёт озоновый слой**

Основная масса озонового слоя расположена на высоте 20—25 км над Землёй — здесь сосредоточена основная масса слоя, который защищает живое от избытка ультрафиолета.

**Пример: Из кислорода — озон**

1. Обычный воздух содержит кислород: молекула O₂ — два атома кислорода, скреплённых друг с другом.
2. Высоко в атмосфере на эти молекулы попадает ультрафиолетовое излучение Солнца.
3. Под его действием молекулы O₂ распадаются на отдельные атомы кислорода.
4. Часть этих атомов снова соединяется — но уже не по двое, а по трое: получается молекула озона O₃.
5. 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.

**Проверь себя:** Кислород O₂ и озон O₃ — это одно и то же вещество в разном количестве, или два разных вещества?
**Ответ:** 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.

### Проверь себя

**Какие вещества из перечисленных состоят не из молекул, а прямо из атомов?**
- Вода, углекислый газ и молекулы озона.
- Все твёрдые вещества, включая лёд и сахар, — не только кремний и сера.
- Неон и гелий — да, а вот кремний, сера и мышьяк состоят из молекул, как и остальные вещества.
- Кремний, сера и мышьяк, а также некоторые газы — неон, гелий и другие. — верно
> Это ровно тот список исключений, который стоит запомнить дословно: кремний, сера, мышьяк и некоторые газы вроде неона и гелия.

**Правда ли, что молекула, разделившись на атомы, обязательно снова соберётся точно в такую же молекулу?**
- Нет: атомы могут собраться в молекулу другого вещества — например, в озон вместо кислорода. — верно
- Да, атомы всегда возвращаются точно в ту же самую молекулу, из которой были получены.
- Да, но только высоко над Землёй, где атомы кислорода всегда складываются именно в озон.
- Нет, потому что атомы после деления вообще никогда не способны снова соединяться друг с другом.
> При слиянии или делении молекул может образоваться новое вещество с другими свойствами — история кислорода и озона это и показывает.

**Самолёт летит на высоте около 10 км — обычный крейсерский эшелон пассажирских рейсов. Пролетит ли он через слой, где сосредоточена основная масса озона?**
- Нет: основная масса озонового слоя лежит значительно выше, на высоте 20—25 км, а не на высоте авиаперелётов. — верно
- Да: озоновый слой начинается прямо от земли и тянется вплоть до 25 км, так что 10 км — это уже внутри него.
- Нет, потому что озонового слоя вообще не существует на высотах, доступных для самолётов.
- Да, потому что 10 км — это как раз середина озонового слоя, расположенного на высоте 5—15 км.
> Основная масса озона сосредоточена намного выше — на высоте 20—25 км, а привычный крейсерский эшелон самолётов (около 10 км) до неё не дотягивает.

## 3. Атомы, которых никто не видел

*Как доказали, что они всё-таки существуют*

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.

**Опыт с масляной плёнкой**

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.

*Рисунок: Капля масляного раствора растекается по воде в тонкую плёнку; толщина этой плёнки d — по порядку величины такая же, как диаметр одной молекулы масла (d ≈ 10⁻⁹ м).*

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.

**Пример: Как из капли и пятна получили размер молекулы**

1. Берут каплю спиртового раствора масла известного объёма и аккуратно капают на спокойную поверхность воды.
2. Масляная плёнка растекается по воде в круглое пятно — вода служит гладкой подложкой, на которой плёнка может растянуться очень тонко.
3. 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.
4. Измерив площадь пятна и зная объём исходной капли, оценили толщину предельно тонкой плёнки d — величина порядка 10⁻⁹ м.
5. Это и есть первая экспериментальная оценка размера одной молекулы масла.

**Два главных вывода из опытов**

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.

**Атомы увидели своими глазами**

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.

**Проверь себя:** Если бы плёнка в опыте Рентгена и Рэлея могла растечься в тысячу раз тоньше, что бы это означало?
**Ответ:** 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.

### Проверь себя

**Учёные измерили площадь растёкшегося масляного пятна и объём капли. Что из этого можно было оценить?**
- Точный вес одной-единственной молекулы масла, выраженный в граммах и миллиграммах.
- Число Авогадро — количество молекул в одном моле любого вещества.
- Толщину плёнки, а по ней и приблизительный размер одной молекулы масла. — верно
- Точную температуру, при которой это конкретное масло закипает и превращается в пар.
> Площадь пятна и объём капли вместе дают толщину предельно тонкой плёнки — а она по порядку величины равна диаметру молекулы масла.

**Опыт с плёнкой даёт точное значение диаметра молекулы до последней цифры или лишь оценку?**
- Абсолютно точное значение диаметра молекулы, проверенное множеством независимых лабораторий.
- Оценку с точностью до тысячной доли миллиметра — почти как у современных приборов.
- Опыт вообще ничего не позволяет оценить, только увидеть цвет плёнки.
- Только оценку по порядку величины — метод грубый, но масштаб, миллиардные доли метра, указан верно. — верно
> Метод простой и грубый, но верно называет масштаб — миллиардные доли метра, — а не точное число.

**10⁻⁹ метра — это…**
- Одна миллиардная доля метра, то есть нанометр — именно такой масштаб размера молекулы. — верно
- Одна миллионная часть метра — это уже слишком крупно для молекулы, скорее масштаб бактерии.
- Одна тысячная часть метра — как раз масштаб отдельной песчинки на пляже.
- Один метр, просто записанный по-другому — величина осталась прежней.
> 10⁻⁹ м — это нанометр, одна миллиардная часть метра; именно такого порядка размер молекулы масла в опыте.

## Ключевые термины

- **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).

## Итог

- 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.

## Шпаргалка

**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.

## Любопытное

- 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.