Моле́кула (, уменьшительное от — масса) — электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных химическими связями атомов.
В отдельных разделах физики к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т. п.).
Молекулы электрически нейтральны, но могут содержать неспаренные электроны. Молекулярными ионами называют частицы, образованные удалением или присоединением электронов к молекуле без изменения состава её атомных ядер. Частицы с одним или несколькими неспаренными электронами называют радикалами.
Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами.
С точки зрения квантовой механикиТатевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. — М.: Изд-во МГУ, 1965. — 162 с. молекула представляет собой систему электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой.
Особенности строения молекул и межмолекулярных взаимодействий 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. Для многих из них характерны сравнительно низкие температуры плавления и кипения. Многие же твёрдые (кристаллические) неорганические вещества состоят не из молекул, а из ионов или атомов и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).
Состав молекул веществ выражается при помощи химических формул.
История На международном съезде химиков в Карлсруэ в 1860 году обсуждались определения понятий молекулы и атома. Обсуждение не завершилось принятием общего решения по этим определениям.
Классическая теория химического строения
В традиционном определении молекула рассматривается как наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. В этом определении к молекулам относятся и одноатомные частицы (в частности, молекулы инертных газов).
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 качестве 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. Малые колебания около положения равновесия приближённо описываются системой гармонических осцилляторов.
Молекула состоит из атомов, а если точнее, то из атомных ядер, окружённых определённым 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 с помощью химических связей. В простейшем описании ковалентная связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов и образующих общее электронное облако. Атомам в молекуле могут соответствовать положительные и отрицательные частичные или формальные заряды.
Состав молекулы передаётся химическими формулами. Эмпирическая формула передаёт простейшее целочисленное соотношение атомов элементов вещества; для определения молекулярной формулы дополнительно используют молекулярную массу.
Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. За нуль этой энергии принимают её значение при бесконечном удалении атомов. 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 определённом валентном состоянии в молекуле можно приписать определённый атомный или ковалентный радиус (в случае ионной связи — ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона), образующего химическую связь в молекуле. Размер электронной оболочки молекулы является условной величиной. Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомных ядер. Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости. На бо́льших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших — отталкиваются. Длины связей в молекуле и её размеры можно определить с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определён из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и из плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одной и той же или разных молекул, может быть охарактеризовано средними значениями так называемых ван-дер-ваальсовых радиусов.
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 определёнными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырёхгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью () — плоское расположение связей около атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью () — линейное расположение связей. Таким образом, многоатомная молекула имеет определённую конфигурацию в пространстве, то есть определённую геометрию расположения связей. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не совмещается со своим зеркальным отражением, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, оптические изомеры или энантиомеры). Например, хиральные α-аминокислоты, используемые при синтезе белков, относятся к L-ряду.
Многие молекулы, содержащие одинарные связи (сигма-связи), могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп или фрагментов молекул вокруг этих связей. Важные особенности свойств макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.
Квантохимическая теория химического строения В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, являются её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. Конфигурация с наинизшей энергией соответствует основному энергетическому состоянию молекулы; возможны также возбуждённые состояния.
Представление структуры молекул Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, порядок связей между атомами в молекуле отражает структурная формула (для передачи состава используется так называемая молекулярная 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 широким набором методов: электронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие. К дифракционным методам относятся рентгеноструктурный анализ, дифракция нейтронов и дифракция электронов.
Взаимодействие атомов при образовании молекулы 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 заложены в 1927 году Вальтером Гайтлером и Фрицем Лондоном на примере простейшей молекулы Н2. Позже теория и методы расчётов были значительно усовершенствованы.
Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений являются ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и ковалентные связи. При донорно-акцепторном образовании ковалентной связи общую электронную пару предоставляет один из атомов. Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближённо аддитивна. Энергию, необходимую для разрыва всех связей молекулы, можно приближённо оценить суммой средних энергий её связей.
Такое аддитивное приближение выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряжёнными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с одинарными. Сильная делокализация p-состояний электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации -состояний электронов по связям выражается в укорочении одинарных связей и удлинении двойных. В бензоле углерод-углеродные связи одинаковы, образуют правильный шестиугольник и имеют длину, промежуточную между длинами одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах. Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает делокализацию не только -, но и -состояний электронов, которая наблюдается в любых молекулах.
У многих молекул в основном состоянии суммарный спин валентных электронов равен нулю. Молекулы, содержащие неспаренные электроны, — свободные радикалы (например, метил ·CH3) — часто обладают высокой реакционной способностью: при их взаимодействии друг с другом может происходить значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей. Существуют и долгоживущие радикалы, сохраняющиеся благодаря затруднённости реакций их превращения.
Электрические и оптические свойства молекул Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул — постоянным дипольным моментом и поляризуемостью.
Дипольный момент означает несовпадение «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (электрическую асимметрию молекулы). То есть молекулы, имеющие центр симметрии, например H2, лишены постоянного дипольного момента.