Что такое атом и молекула. Атомы и молекулы. История становления понятия

Бинокулярное зрение - восприятие окружающих предметов двумя глазами (от лат. bi - два, осulus - глаз) - обеспечивается в корковом отделе зрительного анализатора благодаря сложнейшему физиологическому механизму зрения - фузии, т. е. слиянию зрительных образов, возникающих отдельно в каждом глазу (монокулярное изображение), в единое сочетанное зрительное восприятие.

Единый образ предмета, воспринимаемого двумя глазами, возможен лишь в случае попадания его изображения на так называемые идентичные, или корреспондирующие, точки сетчатки, к которым относятся центральные ямки сетчатки обоих глаз, а также точки сетчатки, расположенные симметрично по отношению к центральным ямкам (рис. 4.17). В центральных ямках совмещаются отдельные точки, а на остальных участках сетчатки корреспондируют рецепторные поля, имеющие связь с одной ганглиозной клеткой. В случае проецирования изображения объекта на несимметричные, или так называемые диспаратные, точки сетчатки обоих глаз возникает двоение изображения - диплопия.

Бинокулярное зрение формируется постепенно и достигает полного развития к 7-15 годам. Оно возможно лишь при определенных условиях, причем нарушение любого из них может стать причиной расстройства бинокулярного зрения, вследствие чего характер зрения становится либо монокулярным (зрение одним глазом), либо одновременным, при котором в высших зрительных центрах воспринимаются импульсы то от одного, то от другого глаза. Монокулярное и одновременное зрение позволяет получить представление лишь о высоте, ширине и форме предмета без оценки взаиморасположения предметов в пространстве по глубине.

Основной качественной характеристикой бинокулярного зрения является глубинное стереоскопическое видение предмета, позволяющее определить его место в пространстве, видеть рельефно, глубинно и объемно. Образы внешнего мира воспринимаются трехмерными. При бинокулярном зрении расширяется поле зрения и повышается острота зрения (на 0,1-0,2 и более).

При монокулярном зрении человек приспосабливается и ориентируется в пространстве, оценивая величину знакомых предметов. Чем дальше находится предмет, тем он кажется меньше. При повороте головы расположенные на разном расстоянии предметы смещаются относительно друг друга. При таком зрении труднее всего ориентироваться среди находящихся вблизи предметов, например трудно попасть концом нитки в ушко иголки, налить воду в стакан и т. п. Отсутствие бинокулярного зрения ограничивает профессиональную пригодность человека.

Для формирования нормального (устойчивого) бинокулярного зрения необходимы следующие условия:

• Достаточная острота зрения обоих глаз (не менее 0,4), при которой формируется четкое изображение предметов на сетчатке.
• Свободная подвижность обоих глазных яблок. Именно нормальный тонус всех двенадцати глазодвигательных мышц обеспечивает необходимую для существования бинокулярного зрения параллельную установку зрительных осей, когда лучи от рассматриваемых предметов проецируются на центральные области сетчатки. Такое положение глаз обеспечивает ортофорию (греч. optos - прямой, foros - несущий). В природе ортофория наблюдается достаточно редко, в 70-80 % случаев встречается гетерофория (греч. geteros - другой), считающаяся проявлением скрытого косоглазия. Это состояние обоих глаз характеризуется тем, что в покое они могут принимать такое положение, при котором зрительная ось одного глаза отклоняется или кнутри (эзофория), или кнаружи (экзофория), или кверху (гиперфория), или книзу (гипофория). Причиной гетерофории считается неодинаковая сила действия глазодвигательных мышц, т. е. мышечный дисбаланс. Однако в отличие от явного косоглазия при гетерофории сохраняется бинокулярное зрение благодаря существованию фузионного рефлекса. В ответ на появление физиологического двоения из коры головного мозга поступает сигнал, мгновенно корригирующий тонус глазодвигательных мышц, и два изображения предмета сливаются в единый образ. Патология глазодвигательного аппарата является одной из основных причин утраты бинокулярного зрения. Степень гетерофории, выражаемая в призменных диоптриях, определяется величиной отклонения зрительной линии одного из глаз от точки фиксации.
• Равные величины изображений в обоих глазах - изейкония. Следует отметить, что при неравенстве величин изображений (анизейко-ния) 1,5-2,5 % возникают неприятные субъективные ощущения в глазах (астенопические явления), а при анизейконии 4-5 % и более бинокулярное зрение практически невозможно. Разные по величине изображения возникают при анизометропии - разной рефракции двух глаз.
• Нормальная функциональная способность сетчатки, проводящих путей и высших зрительных центров.
• Расположение двух глаз в одной фронтальной и горизонтальной плоскости. При смещении одного глаза во время травмы, а также в случае развития воспалительного или опухолевого процесса в орбите нарушается симметричность совмещения полей зрения, утрачивается стереоскопическое зрение.

Существует несколько простых способов определения бинокулярного зрения без использования приборов.

Первый заключается в надавливании пальцем на глазное яблоко в области век, когда глаз открыт. При этом появляется двоение, если у пациента имеется бинокулярное зрение. Это объясняется тем, что при смещении одного глаза изображение фиксируемого предмета переместится на несимметричные точки сетчатки.

Второй способ - опыт с карандашами, или так называемая проба с промахиванием, в ходе которой наличие или отсутствие бипокулярности выявляют с помощью двух обычных карандашей. Пациент держит один карандаш вертикально в вытянутой руке, врач - другой в том же положении. Наличие бинокулярного зрения у пациента подтверждается в том случае, если при быстром движении он попадает кончиком своего карандаша в кончик карандаша врача.

Третий способ - проба с "дырой в ладони". Одним глазом пациент смотрит вдаль через свернутую из бумаги трубочку, а перед вторым глазом помещает свою ладонь на уровне конца трубочки. При наличии бинокулярного зрения происходит наложение изображений и пациент видит в ладони отверстие, а в нем предметы, видимые вторым глазом.

Четвертый способ - проба с установочным движением. Для этого пациент сначала фиксирует взгляд обоими глазами на близко расположенном предмете, а затем один глаз закрывает ладонью, как бы "выключая" его из акта зрения. В большинстве случаев глаз отклоняется к носу или кнаружи. Когда глаз открывают, он, как правило, возвращается на исходную позицию, т. е. совершает установочное движение. Это свидетельствует о наличии у пациента бинокулярного зрения.

Для более точного определения характера зрения (монокулярное, одновременное, неустойчивое и устойчивое бинокулярное) в клинической практике широко используют аппаратные методы исследования, в частности общепринятую методику Бе-лостоцкого - Фридмана с применением четырехточечного прибора "Цветотест ЦТ-1 (Россия). На его экране светятся четыре точки: белая, красная и две зеленые. Обследуемый смотрит через очки с красным стеклом перед правым глазом и зеленым перед левым. В зависимости от того, какие ответы выдает пациент, находясь на расстоянии 5 м, можно точно установить наличие или отсутствие у него бинокулярного зрения, а также определить ведущий (правый или левый) глаз.

С целью определения стереоскопического зрения часто применяют "Fly"-стереотест (с изображением мухи) фирмы "Titmus Optical" (США). Для установления величины анизейконии используют фазоразделительный гаплоскоп. В ходе исследования пациенту предлагают объединить два полукруга в полный бесступенчатый круг, меняя величину одного из полукругов. За величину имеющейся у пациента анизейконии принимают процентное отношение величины полукруга для правого глаза к величине полукруга для левого глаза.

Аппаратные методы исследования стереоскопического зрения широко используют в детской практике при диагностике и лечении косоглазия.

МОЛЕКУЛА (новолат. molecula, уменьшит. от лат. moles-масса), микрочастица, образованная из двух или большего числа и способная к самостоят. существованию. Имеет постоянный состав (качеств. и количеств.) входящих в нее и фиксир. число и обладает совокупностью св-в, позволяющих отличать одну молекулу от других, в т. ч. от молекул того же состава. Молекула как система, состоящая из взаимодействующих и ядер, может находиться в разл. состояниях и переходить из одного состояния в другое вынужденно (под влиянием внеш. воздействий) или самопроизвольно. Для всех молекул данного вида характерна нек-рая совокупность состояний, к-рая может служить для молекул. Как самостоят. образование молекула обладает в каждом состоянии определенным набором физ. св-в, эти св-ва в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему из них в-ву и определяют св-ва этого в-ва. При хим. превращениях молекулы одного в-ва обмениваются с молекулами др. в-ва, распадаются на молекулы с меньшим числом , а также вступают в хим. р-ции др. типов. Поэтому изучает в-ва и их превращения в неразрывной связи со строением и состоянием молекул.

Обычно молекулой наз. электрически нейтральную частицу; если молекула несет электрич. заряд (положит. или отрицат.), то говорят о мол. ( или соотв.). В в-ве положит. всегда сосуществуют вместе с отрицательными. Молекулы, находящиеся в состояниях с мультиплетпостью, отличной от единицы (как правило, в дублетных состояниях), наз. радикалами. Своб. радикалы в обычных условиях, как правило, не могут существовать длит. время. Известны, однако, своб. радикалы сравнительно сложного строения, к-рые являются достаточно стабильными и могут существовать при обычных условиях (см. ).

По числу входящих в молекулу различают молекулы двухатомные, трехатомные и т.д. Если число в молекуле превосходит сотни и тысячи, молекуле наз. . Сумма масс всех , входящих в состав молекулы, рассматривается как (см. также , ). По величине мол. массы все в-ва условно делят на низко- и высокомолекулярные.

Классическая рассматривает молекулу как стабильную наименьшую (по массе и размерам) частицу в-ва, определяющую его основные св-ва. Эта частица образована из химически связанных друг с другом (одинаковых или разных). Понятие в молекуле при этом не детализируется; он, вообще говоря, отличается от изолир. , так что говорят об эффективном , поведение и св-ва к-рого различны в разных молекулах.

Из всех возможных взаимод. в молекулах выделяют главные взаимод., или , к-рые обеспечивают стабильное существование молекулы и сохранение ею своих основных характеристик в достаточно широкой области изменения внеш. условий. Все прочие (неглавные) взаимод. между в молекуле не определяют ее существования как целого, хотя и влияют, подчас значительно, на те или иные св-ва. О неглавных взаимод. говорят как о взаимном влиянии непосредственно не связанных , или . Энергетически главные взаимод. в данной молекуле, как правило, более значительны, чем неглавные. Вопрос о том, является ли взаимод. выделенной в молекуле главным или неглавным, решается на анализа многих физ. и физ.-хим. св-в в-ва, образованного из этих молекул.

Квантовомеханическая теория представляет молекулу как систему, состоящую из и и находящуюся в определенном , из к-рого молекула может перейти в др. . Каждое состояние и его изменение во времени () определяется либо волновой ф-цией, к-рую находят как решение ур-ния Шрё-дингера (стационарного или временного), либо , удовлетворяющей квантовому ур-нию Лиувилля (см. ). Для изолированных молекул ур-ние Шрёдингера решается обычно в такой системе координат, начало к-рой находится в центре масс (молекулы или системы ). Это позволяет отделить поступат. движение молекулы от всех др. видов движений. Для стационарного состояния изолированной молекулы волновая ф-ция либо существенно локализована в нек-рой конечной области пространства и описывает связанное (связное, стабильное) состояние системы , либо такой локализацией не обладает, описывая отталкивательное (несвязанное) состояние системы. В отталкиват. состоянии молекулы как таковой фактически нет, а есть ее фрагменты, взаимодействующие друг с другом, на к-рые молекула, будучи переведенной в такое состояние, распадается. Возможны и нестационарные состояния молекулы, к-рые, однако, меняются во времени настолько медленно, что молекула может находиться в этих состояниях достаточно длительно (в сравнении с характеристич. временем эксперимента или временем наблюдения за системой). Подобные состояния молекулы обычно наз. метастабильными (или квазисвязанными).

Для изолированной молекулы направления осей системы координат, начало к-рой находится в центре масс, выбираются так, чтобы по возможности полнее исключить из рассмотрения вращение молекулы как целого (напр., оси координат м. б. направлены по главным осям эллипсоида инерции молекулы или связаны с к.-л. выделенной конфигурацией ядер). Согласно , для каждой фик-сир. конфигурации можно определить электронное состояние и соответствующие ему электронную волновую ф-цию и собств. значение электронного гамильтониана - электронную энергию (см. ). Электронная энергия Е e зависит от набора переменных R, определяющих конфигурацию ядер. Она включает потенциал межъядерного отталкивания и изображается графически Е е = Е е {R} (или просто потенц. пов-стью) молекулы в данном электронном состоянии. В частности, для двухатомных молекул электронная энергия изображается потенц. кривой Е e = E e (R), где R -расстояние между ядрами .

Потенц. пов-сть наглядно представляет тот потенциал, в к-ром движутся ядра рассматриваемой молекулы; решениями ур-ния Шрёдингера с этим потенциалом являются колебат. волновые ф-ции, квадрат модуля к-рых определяет плотность вероятности обнаружить у данной молекулы ту или иную ядерную конфигурацию. Потенц. пов-сть для молекулы, находящейся в связанном электронном состоянии, м. б. достаточно простой, напр. иметь один минимум, отвечающий т. наз. равновесной геом. конфигурации ядер. При увеличении межъядерных расстояний потенц. энергия молекула увеличивается до определенного предельного значения, при к-ром молекула диссоциирует на два (или большее число) мол. фрагмента (напр., ). Для многоатомных молекул потенц. пов-сти обычно имеют более сложный вид с неск. локальными минимумами, разделенными потенц. барьерами, а также с точками перевала, разл. долинами, складками и т. п. К тому же потенц. пов-сти для разл. электронных состояний молекулы могут достаточно близко подходить друг к другу, пересекаться, совпадать в отдельных точках. В таких областях подчас невозможно использовать адиабатич. приближение и наглядная картина изменения состояний молекулы как движений по потеиц. пов-сти утрачивается. Если колебат. волновая ф-ция, характеризующая плотность распределения ядер, локализована вблизи к.-л. минимума на потенц. пов-сти, причем по энергии этот минимум лежит ниже диссоциац. пределов для данной молекулы, то можно говорить о наличии у молекулы в рассматриваемом электронно-колебат. состоянии структурного с равновесной конфигурацией, отвечающей минимуму потенц. энергии. Разным минимумам, если они не переводятся обычными операциями друг в друга, соответствуют разные структурные , причем большая или меньшая легкость перевода одного в другой определяется потенц. барьерами, к-рые разделяют эти минимумы. Так, н-бутан и в основном электронном состоянии, с точки зрения квантовомех. теории, суть одна и та же молекула С 4 Н 10 , на потенц. пов-сти к-рой имеются по крайней мере два минимума: один-абс. минимум, к-рому отвечает равновесная конфигурация изо-бутана, и второй-локальный минимум, к-рому отвечает равновесная конфигурация н-бутана. Вероятность спонтанного перехода из потенц. ямы вблизи одного минимума в потенц. яму вблизи др. минимума для низших колебат. состояний очень мала, что и определяет раздельное существование молекул н-бутана и .

В др. случаях на потенц. пов-сти имеются минимумы, разделенные сравнительно невысокими барьерами (от неск. десятых до неск. кДж/), либо пологие долины или желоба, при движении вдоль к-рых энергия молекулы меняется примерно в тех же пределах. Так, у NaAlF 4 имеется четыре эквивалентных минимума, разделенных невысокими барьерами. Минимумы отвечают симметричной координации Na у каждой из четырех граней тетраэдра AlF 4 (тридентантная координация); каждый из барьеров отвечает геом. конфигурации ядер с координацией Na у ребра тетраэдра AlF 4 (бидентантная координация). Na может относительно свободно перемещаться вокруг тетраэдрич. остова. Подобные молекулы получили название политопич. молекул, или молекул с распределенным характером связи. У KCN К может относительно свободно перемещаться по желобу потенц. пов-сти вокруг остова CN, так что в одних колебат. состояниях эта молекула имеет наиб. вероятную конфигурацию, близкую к треугольной, в других-к линейной KNC, в третьих-к линейной KCN. Молекулы такого типа, как и молекулы с распределенным характером связи, относятся к .

Полная волновая ф-ция молекулы в определенном при использовании адиабатич. приближения представляет собой произведение электронной волновой ф-ции на колебат. волновую ф-цию. Если учесть и то, что молекула в целом вращается, в произведение войдет еще один сомножитель - вращат. волновая ф-ция. Знание электронной, колебат. и вращат. волновых ф-ций позволяет вычислить для каждого молекулы физически наблюдаемые средние величины: средние положения ядер, а также средние межъядерные расстояния и средние углы между направлениями от данного ядра к др. ядрам, в т. ч. к ближайшим (); средние электрич. и магн. дипольные и , средние смещения электронного заряда при переходе от системы разделенных к молекуле и др. Волновые ф-ции и энергии разл. состояний молекулы используют и для нахождения величин, связанных с переходами из одного в другое: частот переходов, вероятностей переходов, силы линий и т. п. (см. ).

Если в систему ядер, образующих молекулу, входят тождественные, то среди всех конфигураций ядер будут и такие, к-рые обладают определенной пространств. . Потенц. пов-сти молекулы симметричны относительно операций , к-рые отвечают таким конфигурациям. По этой причине симметричные конфигурации ядер всегда отвечают экстремальным точкам на потенц. пов-стях (минимумам, максимумам, точкам перегиба). Если равновесная не обладает самой высокой , возможной для данной системы ядер, или вовсе несимметрична, то должна быть и эквивалентная ей равновесная конфигурация, получающаяся из исходной теми операциями , к-рые допускают симметричные ядерные конфигурации данной молекулы (см. ).

Квантовая теория дает более богатую и полную картину молекулы в ее разл. состояниях по сравнению с классич. теорией хим. строения. Она позволяет прежде всего провести хим. связей в молекулах на основе того или иного характера распределения (ковалент-ные связи отвечают примерно симметричному распределению валентных между , образующими такие связи; отвечают сильному смещению этой плотности к одному из ), либо исходя из представлений о происхождении той или иной связи (напр., ), либо по др. признакам (напр., молекула с сопряженными связями или молекула с распределенным характером связи). Квантовая теория позволяет также учесть изменения состояний, к-рые возникают при переходе от отдельной изолированной молекулы к в-ву, состоящему из множества взаимодействующих друг с другом молекул при заданных внеш. условиях. И хотя строгие исходные положения квантовой теории требуют, чтобы рассмотрение, напр., двух взаимодействующих молекул (N 2 + N 2 , N 2 + Н 2 О и т.п.) велось для единой системы, включающей все ядра и этих двух молекул одновременно (в силу требований перестановочной для , подсистем тождеств. ядер и др.), все же методы квантовой теории позволяют во мн. случаях сохранять представления об отдельных молекулах, возмущенных взаимным влиянием, но сохраняющих в значит. степени свою индивидуальность.

Таковы, в частности, представления о молекулах (преим. с ко-валентными связями), сохраняющих при переходе в кон-денсир. фазу в значит. степени равновесные межъядерные расстояния и валентные утлы, осн. частоты колебаний и др. Подобные конденсир. фазы обычно наз. мол. или мол. . С другой стороны, у молекул с индивидуальность подчас не сохраняется и весь или представляет собой своего рода единую молекулу. Как правило, сохраняют свои осн. характерные особенности и молекулы в адсорбир. состоянии, а также в .

Отдельные молекулы в системе приобретают смысл эффективных структурных фрагментов, аналогично эффективным в молекулах в рамках классич. теории. В целом модель молекулы или системы взаимодействующих молекул в квантовой теории по возможности строится обычно таким образом, чтобы сохранить наглядные представления классич. теории.

Строение и свойства молекул. Классич. и квантовомех. теоретич. представления о молекулах подтверждаются и уточняются обширным эксперим. материалом об их св-вах и связи этих св-в со строением. Понятие включает при этом два аспекта: геом. строение равновесной ядерной конфигурации в рассматриваемом состоянии (либо ядерной конфигурации, усредненной по колебат. движению) и электронное строение, характеризуемое прежде всего распределением при разл. геом. конфигурациях ядер, изменением этого распределения при переходе от одной области ядерных конфигураций к другой, а также распределением др. физ. величин (напр., двухэлектронной плотности). Характеристиками геом. являются: д л и н ы с в я з е й (межъядерные расстояния для , соединенных хим. связями), в а л е н т н ы е у г л ы (углы между направлениями от данного ядра к ядрам двух соседних , соединенных с рассматриваемым хим. связью), т о р с и о н н ы е, или д и-э д р а л ь н ы е, у г л ы (двугранные углы между двумя плоскостями, проходящими через к.-л. выделенные тройки ядер). Как правило, геом. аспект включает информацию о входящих в молекулу , последовательности и кратности хим. связей между ними, возможных конформац. и т.д. На основе классич. теории такое представление о структуре молекул позволяет классифицировать близкие по строению структурные фрагменты по типам, проводить корреляцию св-в молекул с числами имеющихся в них структурных фрагментов определенных типов и сопоставлять св-ва молекул, построенных из однотипных наборов структурных фрагментов. Наглядно при таком подходе молекулу в каждом состоянии можно изобразить либо системой (колеблющихся) материальных точек, либо в общем случае системой перекрывающихся сфер, радиусы к-рых задаются по определенным правилам (см., напр., ).

Знание распределения дает возможность вычислить мн. св-ва при фиксир. ядерных конфигурациях для каждого состояния, напр. электрич. св-ва ( , ), диа- и парамагнитные составляющие магн. восприимчивости и т.п.

Объединение обоих аспектов приводит к наиб. полному представлению о и его изменении при переходе из одного состояния в другое, особенностях отдельных классов и гомологич. рядов и их поведении во внеш. полях и при взаимод. друг с другом.

Спектроскопич. методы основаны на индивидуальности спектров хим. соединений, к-рая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энер-гетич. уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный в-в. Спектры поглощения или испускания в микроволновой области спектра позволяют изучать переходы между вращат. состояниями, определять моменты инерции молекул, а на их основе-длины связей, и др. геом. параметры молекул. исследует, как правило, переходы между колебательно-вращат. состояниями и широко используется для спектрально-аналит. целей, поскольку мн. частоты колебаний определенных структурных фрагментов молекул являются характеристическими и слабо меняются при переходе от одной молекулы к другой. В то же время позволяет судить и о равновесной геом. конфигурации (качественно-по соблюдению тех или иных в спектре, количественно - на основе решения обратной коле-бат. задачи, по крайней мере для малоатомных молекул; см.

По которому молекула образуется из атомов. Из одного атома молекула образоваться не может. 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 .

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

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твердом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твердых (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 .

История становления понятия

На международном съезде химиков в г. Карлсруе (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Молекула - наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Классическая теория химического строения

Шаро-стержневая модель молекулы диборана B 2 H 6 . Атомы бора показаны розовым, водорода - серым.
Центральные «мостиковые» атомы одновалентного водорода образуют с соседними атомами бора трёхцентровые связи

В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями , при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качества критерия индивидуальности молекулы не учитываются.

Центральным положением классической теории является положение о химической связи, при этом допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда - четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами - как, например, мостиковых атомов водорода в боранах , природа химической связи в классической теории не рассматривается - учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные углы , диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии .

Таким образом, молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов .

Молекула состоит из атомов, а если точнее, то из атомных ядер, окруженных определенным числом внутренних электронов, и внешних валентных электронов, образующих химические связи. Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул вещества не зависят от способа его получения.

Атомы объединяются в молекуле в большинстве случаев с помощью химических связей. Как правило, такая связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов, образуя общее электронное облако, форма которого описывается типом гибридизации. Молекула может иметь положительно и отрицательно заряженные атомы (ионы).

Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы .

Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю. Если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи), при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.

Каждому атому в определенном валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный, или ковалентный радиус (в случае ионной связи - ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона) образующего химическую связь в молекуле. Размер молекулы, то есть размер её электронной оболочки, является величиной до известной степени условным. Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомного ядра. Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости . На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших - отталкиваются. Размеры молекулы можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определен из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одного и того же или разных молекул, может быть охарактеризована средними значениями так называемых ван дер ваальсовых радиусов (Ǻ).

Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван дер ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.

Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырехгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью (С = С) - плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью (С º С) - линейное расположение связей. Таким образом, многоатомная молекула имеет определенную конфигурацию в пространстве, то есть определенную геометрию расположения связей, которая не может быть изменена без их разрыва. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, или стереоизомеры). Все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определенного стереоизомера.

Квантохимическая теория химического строения

В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. При этом в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы принимается конфигурация с наинизшей энергией, то есть основное энергетическое состояние.

Представление структуры молекул

Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, расположение последних в молекуле передаёт структурная формула (для передачи состава используется т. н. брутто-формула). Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.

Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии , аппарат которых активно использует достижения квантовой физики , в том числе релятивистских её разделов. Также в настоящее время развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает колоссальным набором средств: электронная спектроскопия , колебательная спектроскопия , ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, как то: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов.

Взаимодействие атомов в молекуле

Природа химических связей в молекуле оставалась загадкой до создания квантовой механики - классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были созданы в 1927 году Гайтлером и Лондоном на примере простейшей молекулы Н 2 . Позже, теория и методы расчетов были значительно усовершенствованы.

Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений является ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома. Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближенно аддитивна. То есть можно считать, что энергия молекулы - это сумма энергий её связей, имеющих постоянные значения в таких рядах.

Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряженными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с единичными. В таких случаях валентные электроны, определяющие кратность связей, так называемые p-электроны, становятся общими для всей системы сопряженных связей, делокализованимы. Такая делокализация электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации p-электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинение одинарных. В правильном шестиугольнике межуглеродных связей бензола все связи одинаковы и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах.

Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает частичную делокализации не только p-, но и s-электронов, которая наблюдается в любых молекулах.

В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равна нулю, то есть спины электронов попарно насыщены. Молекулы, содержащие неспаренные электроны - свободные радикалы (например, атомный водород Н, метил ·CH 3), обычно неустойчивы, поскольку при их реакции друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей .

Межмолекулярное взаимодействие

Спектры и строение молекул

Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.

Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых с спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей . Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.

Молекулы в химии, физике и биологии

Понятия молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы, определяет каким будет ход реакций.

Строению и свойствам молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятия молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твердых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии , её вязкость, теплопроводность и т. д.. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Ж. Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения .

Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированной химической и нехимической взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.

Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии , которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.

См. также

• Теория молекулярных орбиталей

Примечания

Литература

• Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. - М.: Изд-во МГУ , . - 162 с.
• Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. - М.: Мир, . - 532 c. ISBN 5-03-003363-7
• Минкин В. И. , Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. - М.: Высшая школа, . - 408 с.
• Кук Д., Квантовая теория молекулярных систем. Единый подход. Пер с англ. М.: Интеллект, 2012. - 256с. ISBN: 978-6-91559-096-9

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
• Молекулы (видеурок, программа 7 класса)
• Шредингер Э. Волновая теория механики атомов и молекул. УФН 1927

Цели урока:

• рассказать ученикам о молекулах и атомах и научить различать их.

Задачи урока:

Обучающие: изучить новый материал по теме «Молекулы и атомы»;

Развивающие: содействовать развитию мышления и познавательных умений; овладению методами синтеза и анализа;

Воспитательные: воспитание положительной мотивации к обучению.

Основные термины:

Молекула – нейтральная электрически частица, которая состоит из двух и более атомов, связанных ковалентными связями; наименьшая частица вещества, которая обладает его свойствами.

Атом – самая маленькая неделимая химически часть элемента, которая является носителем его свойств; состоит из электронов и атомного ядра. Различное количество разных атомов, связанных межатомными связями, образуют молекулы.

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточено более 99,9% его массы.

3.Почему не видны частицы, из которых состоит вещество ?

4.Как объяснить высыхание белья после стирки?

5.Почему твердые тела, состоящие из частиц, кажутся сплошными?

Молекулы.

2.Как называются частицы, из которых состоят молекулы?

3.Опишите опыт, с помощью которого можно определить размер молекулы.

4.Различаются ли молекулы одного вещества в его различных агрегатных состояниях?

5.Что такое атом и из чего он состоит

Домашнее задание.

Попробуйте провести дома опыт по измерению размера молекулы любого вещества.

Интересно знать, что.

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX - начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом - наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Физика атомов и молекул - раздел физики, изучающий внутреннее строение и физические свойства атомов, молекул и их более сложных объединений (кластеров), а также физические явления при низкоэнергетических элементарных актах взаимодействия объектов между собой с элементарными частицами.

При изучении физики атомов и молекул основными являются такие экспериментальные методы как спектроскопия и масс-спектрометрия со всеми их разновидностями, некоторые виды хроматографии, резонансных методов и микроскопии, теоретические методы квантовой механики, статистической физики и термодинамики. Физика атомов и молекул тесно взаимосвязана с молекулярной физикой, в которой изучаются (коллективные) физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического строения, а также с некоторыми разделами химии.

Давайте проведем краткий экскурс в историю развития атомно-молекулярной теории:

Список литературы

1.Урок на тему «Молекулы и атомы» С.В. Громов, И.А. Родина, учителя физики.

2.Урок на тему «Строение вещества» Фонин Илья Александрович, Камзеева Елена Евгеньевна, учитель физики, МОУ Гимназия №8, г.Казань.

3.Г. Остер. Физика. Задачник. Ненаглядное пособие.- М.: Росмэн, 1998.

4.Мейяни А. Большая книга экспериментов для школьников. М.: «Росмен». 2004 г.

5.Global Physics «Атомы и молекулы».

Отредактировано и выслано Борисенко И.Н.

Над уроком работали:

Громов С.В.

Фонин И.А.

Атом - это мельчайшая, химически неделимая частица вещества. Все вещества состоят из атомов. То, что атомы существуют, предполагал еще Демокрит в IV в. до н. э. Однако доказать, что атомы действительно существуют, ученые смогли только в XIX веке.

Существует более 100 видов атомов. Они отличаются друг от друга своим строением. Когда выше было сказано, что атомы - это химически неделимые частицы, то это не значит, что они неделимы вообще.

Атомы состоят из более мелких частиц - протонов, нейтронов и электронов. В зависимости от того, сколько этих более мелких частиц входит в атом, различают виды атомов. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого есть электронные облака, где двигаются электроны. Протоны и нейтроны также называют нуклонами.

Самые простые атомы - это водород и гелий. У первого только один электрон, а у второго - два. Это самые распространенные атомы во Вселенной, так как из них состоят звезды. Но они не самые распространенные на Земле. На Земле распространены более сложные атомы, больше различных их видов. Однако наиболее распространены кислород и кремний.

Молекулы состоят из атомов, которые притягиваются друг к другу. Одинаковые молекулы образуют вещество. Свойства вещества зависят от атомного состава и строения молекул. Имеет значение, какие атомы входят в состав молекулы, как они между собой соединены.

Одну молекулу водорода образуют два атома водорода. Много молекул водорода образуют вещество водород, которое при нормальных условиях - газ. Вода - это вещество, состоящее из молекул, образованных одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. При нормальных условиях вещество вода - это жидкость.

Мельчайшей частицей вещества считается именно молекула, так как она определяет его химические свойства, а не атомы. При химических реакциях, когда одни вещества превращаются в другие, изменяются молекулы - одни исчезают, другие появляются. Однако атомы при этом остаются неизменными. Сколько атомов и каких типов было до химической реакции, столько их будет и после. Просто они будут по-другому между собой объединены и, следовательно, образуют уже другие молекулы, то есть другие вещества.

Если различных видов атомов всего чуть более 100, то число различных видов молекул исчисляется миллионами. Существуют очень сложные молекулы, в состав которых входят сотни и более атомов (преимущественно одного или нескольких видов). Такие молекулы входят в состав живых организмов.

Следует понимать, если две молекулы различаются между собой всего лишь одним атомом, то это уже совершенно разные молекулы, образующие разные вещества. Тогда станет понятным, почему разных атомов не так уж и много, а разных молекул огромное количество.

Размеры атомов и молекул ничтожны, это миллионные доли миллиметра и даже меньше. Их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Понятно, что молекулы больше атомов.

Размеры атомов зависят от их сложности. Чем больше электронов и больше ядро атома, тем больше сам атом. То же самое можно сказать о молекулах. Чем больше атомов входит в их состав и чем крупнее сами атомы, тем больше будет молекула вещества.