Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/2/4

← Предыдущая глава	Глава 2.4	Следующая глава →
Молекулы

Моле́кула (новолатинское molecula, уменьшительное от moles} — масса) — наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства. Молекула состоит из двух или более атомов, характеризуется количеством входящих в неё атомных ядер и электронов, а также определённой структурой.

Нередко (особенно в физике) говорят про одноатомные молекулы инертных газов или идеального газа. Нужно иметь в виду, что далеко не все вещества состоят из молекул!

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, образованные сотнями или тысячами атомов, называются макромолекулами. Особенности строения молекул определяют физические и химические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

Молекулы состоят из атомов, расположение которых в молекуле передаёт структурная формула (для передачи состава используется т. н. брутто-формула).

Химические формулы

Хими́ческая фо́рмула — отражение информации о составе и структуре веществ с помощью химических знаков, чисел (индексов) и разделяющих знаков — скобок.

В настоящее время различают следующие виды химических формул:

Простейшая формула. Может быть получена опытным путем через определение соотношения химических элементов в веществе с применением значений атомной массы элементов. Так, простейшая формула воды будет H₂O, а простейшая формула бензола СН. Атомы в формулах обозначаются знаками химических элементов, а относительное их количество — числами в формате нижних индексов.

Истинная формула. Может быть получена, если известна молекулярная масса вещества. Истинная формула воды Н₂О, что совпадает с простейшей. Истинная формула бензола С₆Н₆, что отличается от простейшей. Истинные формулы также называют брутто-формулами или эмпирическими. Они отражают состав, но не структуру молекул вещества.

Рациональная формула. В рациональных формулах выделяются группы атомов, характерные для классов химических соединений. Например, для спиртов выделяется группа -ОН. При записи рациональной формулы такие группы атомов заключаются в круглые скобки (ОН). Количество повторяющихся групп обозначаются числами в формате нижних индексов, которые ставятся сразу за закрывающей скобкой. Квадратные скобки применяются для отражения структуры комплексных соединений. Например, К₄[Co(CN)₆] — гексацианокобальтоат калия. Рациональные формулы часто встречаются в полуразвернутом виде, когда часть одинаковых атомов показывается по отдельности для лучшего отражения строения молекулы вещества.

Структурная формула. В графическом виде показывает взаимное расположение атомов в молекуле. Химические связи между атомами обозначаются линиями. Различают двухмерные (2D) и трехмерные (3D) формулы. Двухмерные представляют собой отражение структуры вещества на плоскости. Трехмерные позволяют наиболее близко к теоретическим моделям строения вещества представлять его состав, взаимное расположение, связи и расстояния между атомами.

Пример: Этанол (этиловый спирт):

Простейшая формула С₂Н₆О
Истинная, эмпирическая, или брутто-формула: С₂Н₆О
Рациональная формула: С₂Н₅ОН
Рациональная формула в полуразвернутом виде: СН₃СН₂ОН

Структурная формула

Структурная формула этанола (2D):

Видя перед собой структурную формулу этанола, мы можем определить валентности входящих в его состав атомов. Число отходящих от атома линий (химических связей) — это и есть его валентность.

О других способах представления структурных формул см. Structural formula

Отнюдь не все химические вещества построены из молекул. Так, многие вещества имеют ионную (NaCl — поваренная соль), металлическую (Fe — железо) или атомную (С — углерод, например, алмаз или графит) кристаллическую решетку (см.[[1]]). Эти вещества не состоят из молекул! (Есть и вещества с молекулярной кристаллической решеткой — например, иод (I₂). В определенных условиях можно получить кристаллы белков или ДНК).

В итоге мы видим, что первоначальное определение (мельчайшая частица вещества, сохраняющая его (химические) свойства — весьма неточное. Отдельная молекула не имеет ни части химических, ни, тем более, физических свойств вещества, а некоторые вещества (естественно. имеющие химические свойства) «не имеют» молекул… Было предложено более точное определение: «Молекула — электронейтральная частица вещества, представляющая собой замкнутую совокупность конечного числа атомов, связанных между собой силами ковалентной связи и образующих определённую структуру.»

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 используются разные методы: электронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие. Однако единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов.

[[2]] — Строение молекул (Наглядная биохимия)
Статья «Молекула» в Физической энциклопедии