Молекула

Моле́кула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов. В физике к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т. п.). Причисление к молекулам одноатомных молекул, то есть свободных атомов, например одноатомных газов, приводит к совмещению понятий «молекула» и «атом».

Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами.

Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами.

С точки зрения квантовой механики молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой.

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).

Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул.

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

Когда в молекулу попадает фотон с подходящей энергией, он поглощается парой электронов, образующей химическую связь, и молекула переходит в возбужденное состояние с избыточной энергией. Возбужденных состояний как минимум два. Сначала молекула оказывается в неустойчивом и короткоживущем состоянии (так называемом синглетном состоянии). В нем спины электронов возбужденной пары еще антипараллельны, как и в спокойном состоянии молекулы. В синглетном состоянии молекула может сбросить возбуждение и вернуться в исходное состояние путем флюоресценции (излучения светового кванта с энергией чуть меньше исходной) или рассеяния энергии в тепло либо перейти в следующее – триплетное – состояние, в котором спины электронов становятся параллельными и химическая связь между атомами фактически разрывается. Если в молекуле была возбуждена одинарная связь, то молекула разрушается в этом месте. Если же была возбуждена двойная связь (точнее, так называемая пи-электронная система, образующая «вторые палочки» двойных связей), то молекула в триплетном состоянии сохраняет целостность, но становится бирадикалом – иными словами, у нее теперь имеются два неспаренных электрона, которые могут образовать две новые химические связи. Поэтому молекула в триплетном состоянии химически активна и вступает в разнообразные реакции. Например, молекулы этилена (С2H4), имеющие двойную связь между атомами углерода, при УФ-облучении частично объединяются попарно в циклобутан (С4H8), у которого вместо одной двойной связи образуются две одинарные связи между двумя дополнительными атомами углерода (рис. 6.2). Молекула может также вернуться из триплетного состояния в основное, невозбужденное путем излучения кванта света – фосфоресценции. В отличие от флюоресценции фосфоресценция может происходить спустя минуты и часы после облучения вещества, а разница в энергии поглощенного и излученного кванта света больше.

Михаил Никитин, Происхождение жизни. От туманности до клетки, 2016

Наконец, независимо от наличия или отсутствия в молекулах электрических зарядов между ними действуют силы, называемые дисперсионными. Они являются результатом взаимной поляризации молекул, вызываемой непрерывным движением электронов рядом расположенных атомов. Дисперсионное взаимодействие проявляется при расстояниях между частицами до 3–4 А. Так как нагревание тел не оказывает заметного влияния на движение электронов, то величина дисперсионных сил не зависит от температуры.

Н. А. Алексеева, Технология склеивания изделий из композиционных материалов, 2014

Долгое время считалось, что элементы структуры воды не могут существовать длительное время, пока в 1999 году С. В. Зенин не доказал, что основой объемных структур воды является так называемый кристаллический квант, образующийся из 57 молекул. Он может быть разрушен только высококонцентрированным спиртом или другими сильными растворителями. Взаимодействие между квантами происходит в результате активности свободных водородных связей, проявляющейся формированием структурных образований в форме шестигранников, состоящих из 912 молекул. Так С. В. Зенин доказал существование геометрической модели структурированной воды – образования, отличающегося стабильностью молекул воды, и получил изображение структурных единиц – кластеров. Последние, в свою очередь, состоят из клатратов, в которых и содержится информация о связях или воздействиях, которым подвергаются молекулы воды.

С. В. Филатова, Магия воды. Чудесные исцеления, 2012

ИК-спектроскопия основана на поглощении инфракрасного излучения молекулами изучаемого вещества. При поглощении ИК-излучения происходит возбуждение колебаний и вращений молекул. Обычно используют средний ИК-диапазон – 4000–400 см-1 (диапазон основных колебаний молекул). Практически все вещества, за исключением металлов, могут быть исследованы методом ИК-спектроскопии независимо от их физического состояния, цвета, кристаллической формы, молекулярного веса, числа компонентов, растворимости [5].

Коллектив авторов, Исследования в консервации культурного наследия. Выпуск 3, 2012

Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь называется полярной (см. рис. 2.1, 2.2А). При очень большой разнице в электроотрицательности связь может даже превратиться в ионную – это случится, если один атом полностью “отберет” общую пару электронов у другого. В молекулах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно редко, зато ковалентные полярные – очень часто. Например, это широко распространенные в органических веществах связи C – O и H – O (см. главу 1).

Сергей Ястребов, От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни, 2017

Характер расположения атомов, ионов или молекул в пространстве принято описывать с помощью кристаллической решетки. Если мысленно соединить центры тяжести атомов, ионов или молекул прямыми, то образуется пространственная решетка, в узлах которой находятся те частицы, из которых состоит вещество. Так как положение атомов в пространстве является периодическим, правильным, а следовательно, симметричным, то и кристаллическая решетка также будет обладать определенной симметрией.

В. И. Куманин, Материалы для ювелирных изделий, 2012

Поведение воды «нелогично». Получается, что переход воды из твердого состояния в жидкое и газообразное происходит при температурах, намного более высоких, чем следовало бы. Этим аномалиям найдено объяснение. Молекула воды H2О построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород – водород – 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными ее молекулами. Атомы водорода в молекуле H2О, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H2О в своеобразные полимеры пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярна плоскости атомов той же молекулы H2О.

Б. Н. Джерелей, Вода для вашего здоровья, 2011

Как же информация попадает в воду? Оказывается, из-за своей текучести вода имеет характерное строение молекул. Молекула воды очень проста, она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кислород притягивает к себе электроны водорода и поэтому несет отрицательный заряд, а атомы водорода, у которых отобраны электроны, имеют заряд положительный. Эта молекула не является идеально симметричной, ей свойствен некоторый пространственный дисбаланс. Вследствие этого вся структура становится полярной, образует так называемый диполь, на одной стороне которого преобладает положительный заряд, а на другой – отрицательный. Между отрицательным кислородом и положительным водородом соседних молекул воды образуются «водородные мостики». Эти мостики могут соединять молекулы воды друг с другом, образуя разветвленную сеть – так называемую кластерную структуру. Именно на кластерной структуре основана способность воды хранить информацию, «ведь любое энергетическое воздействие несколько изменяет расположение молекул воды и вызывает в кластерах определенные вибрации» (Д. Рёзель).

В. М. Рошаль, Магическая энергия воды, 2009

Простейшим случаем каталитической реакции является превращение исходного вещества (субстрат – S) в конечное (продукт – P) при участии единственного фермента (E); уже этот механизм требует по меньшей мере трехчленного цикла, который называется реакционным (рис. 14,а). Существуют, однако, и гораздо более сложные реакционные циклы. Таков, например, цикл Кребса – 12-членный цикл, лежащий в основе клеточного дыхания: он катализирует превращение молекулы двухатомной уксусной кислоты (в форме ацетил-кофермента a—CH3CO Koa) в 2 молекулы CO2 и 8 атомов H (рис. 14,б). Другой пример – углеродный цикл Бете – Вайцзеккера, обеспечивающий светимость Солнца за счет превращения 4 атомов водорода 1H в атом гелия 4He (рис. 14,в). Несмотря на серьезнейшие различия между этими реакциями (первая является химической, а вторая – ядерной), они обладают фундаментальным сходством: в обеих высокоэнергетическое вещество превращается в продукты, бедные энергией, при сохранении (т. е. циклическом воспроизведении) промежуточных компонентов (интермедиатов).

К. Ю. Еськов, Удивительная палеонтология, 2014

Строение воды. Вода – уникальное вещество и все её аномальные свойства (высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, большая теплота испарения и плавления, большая теплоёмкость, большое поверхностное натяжение и когезия и другие) обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Молекулы H2O, благодаря неравномерно распределенному по их объему электрическому заряду, способны притягиваться друг к другу и образовывать беспорядочные роевые формы и упорядоченные «водяные кристаллы». Свободные, не связанные в ассоциаты молекулы H2O присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных роев и «водяных кристаллов».

Н. Б. Панкова, План-конспект ответов на вопросы экзамена по физиологии, 2009

Потоки частиц и электромагнитных квантов, образующихся при ядерных превращениях, т. е. в результате ядерных реакций или радиоактивного распада, при прохождении через вещество (атомы и молекулы, из которых оно состоит) возбуждаются, как бы распухают, и если они входят в состав какого-либо биологически важного соединения в живом организме, то функции этого соединения могут оказаться нарушенными. Если же проходящая через биологическую ткань ядерная частица или квант вызывает не возбуждение, а ионизацию атомов, то соответствующая живая клетка оказывается дефектной.

М. А. Краснова, Полный справочник санитарного врача, 2013

Учеными было доказано, что после испарения воды из реакционного объема в амфифильных липидоподобных и липидных молекулах формируются жидкокристаллические агрегаты, в которых молекулы расположены периодическими слоями, как в смектических кристаллах. Такие липотропные жидкокристаллические фазы, дающие в поляризованном свете характерную оптическую картину, при последующем разбавлении легко превращаются в мембраноподобные структуры за счет полиморфных переходов (Чистяков, Селезнев, 1977, с. 38–45). Эти и другие исследования подтвердили тот факт, что на самых ранних стадиях химической эволюции могли возникнуть достаточно простые липидоподобные и липидные молекулы, спонтанно образующие мембранные структуры. Следовательно, и формирование систем, подобных протоклеткам, могло предшествовать синтезу более сложных полимерных молекул. Имеются все основания считать, что в период биопоэза (его первого этапа) на Земле за счет высоких температур в присутствии руд различных металлов и при воздействии на смеси газов ультрафиолетового и у-излучения синтезировались не только аминокислоты, но и некоторые сахара, жирные кислоты и азотистые основания. Жирные кислоты в последующем, соединившись со спиртами, могли образовывать липидные пленки на поверхности водоемов, в которых были растворены азотистые основания, сахара и аминокислоты. Растворенные в водоемах белковые молекулы могли адсорбироваться на поверхности липидной пленки благодаря электрическому притяжению к заряженным обращенным в воду липидным головкам. По-видимому, эти условия и предопределили возникновение мембран и встроенных в них белков.

Ю. А. Колесник, Современное состояние биосферы и экологическая политика, 2007

В процессе образования раствора энтальпия систе–мы также может как увеличиваться (NaCI), так и умень–шаться (КОН). Изменение энтальпии процесса раство–рения нужно рассматривать в соответствии с законом Гесса как алгебраическую сумму эндо– и экзотермиче–ских вкладов всех процессов, сопровождающих про–цесс растворения. Это эндотермические эффекты раз–рушения кристаллической решетки веществ, разрыва связи молекул, разрушения исходной структуры рас–творителя и экзотермические эффекты образова–ния различных продуктов взаимодействия, в том числе сольватов.

М. В. Дроздова, Неорганическая химия, -1

Весьма полезным является то обстоятельство, что соответствующие радиолинии, принадлежащие различным изотопам одной и той же молекулы, имеют довольно заметно различающиеся длины волн. Это позволяет исследовать изотопный состав межзвездной среды, что имеет большое значение для изучения проблемы эволюции вещества во Вселенной. В частности, раздельно наблюдаются такие изотопные комбинации окиси углерода: 12С16О, 13С16О и 12С18О.

И. С. Шкловский, Вселенная, жизнь, разум, 2006

Распределение Максвелла – в равновесном состоянии параметры газа (давление, объем и температура) остаются неизменными, однако микросостояния – взаимное расположение молекул, их скорости – непрерывно изменяются. Из-за огромного количества молекул практически нельзя определить значения их скоростей в какой-либо момент, но возможно, считая скорость молекул непрерывной случайной величиной, указать распределение молекул по скоростям. Распределение молекул по скоростям подтверждено различными опытами. Распределение Максвелла можно рассматривать как распределение молекул не только по скоростям, но и по кинетическим энергиям (так как эти понятия взаимосвязаны).

В. А. Подколзина, Медицинская физика, -1

Первые химические реакции после Большого взрыва порождают молекулы – небольшие группы атомов, тесно связанных между собой. Еще до того, как атомы водорода в результате ядерного синтеза внутри звезд образуют гелий, в вакуумном пространстве глубокого космоса возникают молекулы водорода (H2), каждая из которых состоит из двух атомов, тесно связанных между собой. У каждого атома водорода только один электрон, т. е. этот атом находится в нестабильном состоянии в условиях космоса, где действует магическое правило двух электронов. Так что встреча двух атомов водорода объединяет их электроны в общую молекулу, обеспечивающую стабильность. Принимая во внимание огромное количество водорода, возникшего в результате Большого взрыва, нетрудно прийти к выводу, что молекулы водорода предшествовали образованию звезд и составляли основную часть космоса с самого начала появления атомов.

Роберт Хейзен, История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет, 2012

То же можно сказать и о числе изомеров непредельных соединений с одной двойной связью – алкенов C n H2n. Для них можно конструировать изомеры не только изменяя углеродный скелет молекулы, но и путем перемещения двойной связи, а также различного расположения заместителей относительно двойной связи (так называемые цис-транс-изомеры); поэтому число изомеров алкенов N с увеличением числа атомов углерода n растет еще стремительнее, чем у алканов:

И. А. Леенсон, Занимательная химия для детей и взрослых, 2013

В исследованиях В.В. Остапова показано, что речь здесь может идти о стоячих волнах, возникающих как единая цельная пространственная структура между атомами, формирующими макромолекулу ДНК [36]. Как мы знаем, ДНК сложена из молекул, имеющих кольцевую структуру, внутри которой циркулирует движение, создающее по всем известному правилу буравчика и осевое движение, то есть магнитный момент. Сложная, пространственно распределённая структура этих магнитных моментов не может не реагировать на изменение величины внешнего магнитного поля.

Н. И. Конюхов, Экономический кризис: Космос и люди, 2014

crystallite – дефекты в упорядоченности – intramolecular folding – аморфная область – constituent macromolecule – fourth order structure – единичная ячейка – parallel displacement – наложение смежных цепей – arrangement of molecules – периодически повторяющийся – кристаллический – macromolecular length scale – сложно-организованная сеть – атомарный масштаб – stacking of adjacent chains – volume fraction – массовая доля – crystalline region – выходить за пределы – imperfect regularity – межмолекулярный – three-dimensional ordering – взаимное расположение молекул – параллельный перенос – unit cell – мольная доля – tertiary structure – degree of crystallinity – repeating material portion – внутримолекулярный – complex network – supramolecular level – первичная структура – двойная спираль.

Д. А. Романов, What are Polymers? (Что такое полимеры?), 2013

Что такое лазер, знают все; мазеры несколько менее известны. Мазер – это источник когерентного излучения с длиной волны, определяемой разницей соответствующих энергетических уровней молекул рабочего вещества. Поглощая жесткие кванты «накачки», рабочее вещество затем спонтанно излучает кванты совершенно определенной длины волны. В Галактике известно немало «точечных» мазерных источников излучения. «Рабочим веществом» некоторых из них является молекулярный водород Н2, других – гидроксил ОН (в условиях межзвездной газово-пылевой среды могут подолгу существовать молекулы, нестабильные на Земле, и не только гидроксил), а «накачку» осуществляет излучение ядра протозвезды.

А. Н. Громов, Удивительная Солнечная система, 2012

Примеры алгоритмов действий при изучении учебных элементов УЭ-8 «Электронная структура атомов», УЭ-12 «Теория молекулярных орбиталей», УЭ-14 «Пространственная конфигурация молекул», УЭ-31 «Гидролиз», УЭ-32 «Окислительно-восстановительные реакции», а также при выполнении лабораторных работ, входящих в состав УЭ-15 «Твердое, жидкое, газовое состояние», УЭ-17 «Способы выражения содержания растворенного вещества в растворе», УЭ-18 «Тепловой эффект реакции. Энтальпия», имеются в учебно-методической литературе, разработанной в процессе выполнения данной исследовательской работы [30, 33, 53]. Использование алгоритмов действий, создающих ориентировочную основу действий, служит эффективным методическим приемом при адаптационном обучении химии студентов первого курса.

Н. Ш. Мифтахова, Методология и методика адаптационного обучения химии на дуязычной основе в высшей школе, 2012

возможно с небольшими молекулами или ионами внутри клеток. Принцип прямого химического взаимодействия составляет основу антидотной терапии при отравлении химическими веществами.

В. Н. Малеванная, Фармакология, -1

Второе важное открытие – наличие так называемых «окон чувствительности» живых и модельных физико-химических объектов на частоту и величину полей. В 1985 г впервые было установлено, что частоты «окон чувствительности» биологических объектов совпадают с циклотронными частотами в данном постоянном магнитном поле ионов ключевых молекул в тех или иных биохимических реакциях. Явление получило название биологического циклотронного резонанса.

В. А. Барановский, Электричество дома и на даче, -1

Для многих токсичных веществ, особенно для тех «специалистов», что связываются со строго определенными клеточными рецепторами, кажется вполне логичным, что за воздействие несет ответственность именно трехмерная структура молекул токсикантов. Если токсичное вещество – это ключ, то рецепторная молекула – замок, и для многих токсичных веществ изменения химической структуры молекул (аналогично различиям в форме бородки ключа) могут приводить к изменению токсичности. Более того, если нам известен механизм токсического воздействия вещества на организм, можно сделать вывод, что молекулы со сходной структурой могут оказывать на организмы сходное воздействие. Зависимость активности от структуры – корреляция между структурой молекул химического вещества и его биологической активностью – важный принцип, который можно вывести из трудов Паре.

Алан Колок, Современные яды: Дозы, действие, последствия, 2016

Показано, что включение в расчетную квантово-химическую схему оптимального количества молекул растворителя ближайшей координационной сферы иона с последующим применением континуальной модели позволяет получить хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений стандартных электродных потенциалов. Приведены расчеты электродного потенциала для ионной пары Fe(CN)63−/Fe(CN)64−, выполненные в рамках функционалов плотности B3LYP и ω-B97XD (версии UA0 и UFF расчетов размеров диэлектрической полости) в атомных базисах aug-cc-pvDZ и 6-311++G(d,p).

Коллектив авторов, 100-летию академика П.А. Кирпичникова. Научная сессия (5-8 февраля 2013 г.), 2013

Высокая полярность молекулы воды позволяет атомам кислорода притягивать атомы водорода соседних молекул и образовывать по четыре водородные связи, что четко прослеживается в кристаллах льда. Структура последних имеет гексагональную решетку, в которой находится множество пустот.

Антонина Соколова, Магия воды, 2013

По современным представлениям молекула воды – это диполь, т. е. она имеет 2 центра тяжести. Один – центр тяжести положительных зарядов, другой – отрицательных. В пространстве эти центры не совпадают, они асимметричны, т. е. молекула воды имеет два полюса, создающих вокруг молекулы силовое поле, молекула воды полярна.

Ю. Ю. Елисеев, Общая гигиена: конспект лекций, -1

Итак, существуют четыре взаимодействия, и лишь одно из них, самое слабое – гравитационное, является всеобщим и вездесущим. Но гравитация слишком слаба, чтобы сохранить единство камня, молекулы, атома и атомного ядра. Самое мощное взаимодействие – то, которое заслуженно называется сильным. Оно удерживает вместе протоны и нейтроны, причем это взаимодействие, например, между двумя протонами в 1038 раз мощнее, чем гравитационное взаимодействие между ними же. Для каждого взаимодействия были разработаны собственные теории.

Т. С. Тихоплав, Физика веры, 2011

В каждом нейроне непрерывно происходят химические превращения: синтез, разложение и изомеризация молекул. Для всех этих процессов требуется поступление в клетку извне каких-либо химических веществ после исчерпания потребных веществ внутри клетки и удаления лишних. Даже в состоянии относительного покоя, т. е. при отсутствии внешних воздействий, медленные реакции продолжаются. На основе этого формируются потребности клетки. Эти потребности меняются как под влиянием суточных ритмов нейронов, которые изменяют количество и скорость реакций метаболизма, так и в результате внешних воздействий, вызывающих ускорение и рост количества превращений. Изменения потребностей нейронов в течение суток во многом определяют свойства, проявляемые НС в разное время суток.

Александр Григорьев, Анатомия рационального поведения, -1