Какие молекулы существуют: Молекула что такое и какие бывают молекулы |

Содержание

Молекула что такое и какие бывают молекулы

Если говорить умными словами, молекула — это электрически нейтральная частица, образованная двумя или более связанными ковалентными атомами. Все химические вещества могут образовывать молекулы при определенных условиях. Бывают молекулы и из одного атома. Простейший пример молекулы — h3O (молекула воды). В квантовой механике молекул из атомов нет, есть лишь молекулы из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой. Молекулы сложных веществ выражаются химическими формулами. Но если говорить проще, молекула — это простейшее состояние связанного элемента, еще не атомы, но уже и невооруженным глазом не разглядеть.

Самое обсуждаемое по теме Молекула

2022 год, кажется, будет жарким. Причем в прямом смысле этого слова – седьмой год подряд температура на нашей планете бьет рекорд за рекордом. Что же до переносного значения «жары», то война с COVID-19 по-прежнему далека от завершения. Одной из причин появления нового варианта, вероятно, является неравномерное распределение вакцин в мире. Когда одна часть населения получает прививку, а вторая нет, создается опасный прецедент и вирус мутирует, чтобы обойти иммунитет и заражать практически каждого. И хотя вирусы не являются живыми, они все же, борются за жизнь адаптируясь к изменчивой окружающей среде. Новый вариант коронавируса Омикрон, очевидно, стал финалистом этой эволюционной гонки. Но каков наш ответ? Разработанные вакцины, безусловно, являются главным оружием против COVID-19, но может быть есть что-то еще? Например, особая молекула, способная защитить от заражения? Или новое эффективное лекарство против ковида?

Едва ли большинство из нас часто задумывается о том, какие молекулы составляют все вокруг нас и в том числе во Вселенной. Между тем, по мере того как мы удаляемся от нашей планеты, число сложных химических процессов возрастает с бешеной скоростью. Космическое пространство – как и межзвездные и межгалактические области – на самом деле содержит множество молекул. Вот только как именно эти молекулы образовались и как превратились в те сложные химические процессы, что мы наблюдаем сегодня – по-прежнему неизвестно. Считается, что ранняя Вселенная состояла всего из нескольких видов атомов, и только в возрасте 100 000 лет водород и гелий объединились, образовав первую молекулу – гидрид гелия. Однако, хотя теоретически он существовал, обнаружить его не удавалось. Дальнейшие попытки, вероятно, могли закончиться неудачей, но команда ученых из Софийского научного центра NASA исправила ситуацию, обнаружив сигнатуру недостающей молекулы в нашей собственной галактике. А результаты исследования британских ученых и вовсе поражают воображение. Но обо всем по порядку.

Как появилась жизнь на нашей планете? Могли ли строительные блоки органических молекул, недавно обнаруженные в трех разных метеоритах, попасть на Землю миллиарды лет назад? Исследователи давно предполагали, что органические соединения могут образовываться во внеземной среде, теперь же эти предположения подтвердились. В ходе недавно проведенного исследования ученые непосредственно наблюдали ключевую органическую молекулу, которая в будущем может быть использована для создания других органических молекул, включая и те, что необходимы для формирования жизни. Понимание того, как именно органические молекулы приводят к возникновению жизни является одной из величайших загадок, ответ на которую ученые ищут с незапамятных времен. Несмотря на научно-технический прогресс и внушительные достижения человечества, мы по-прежнему не знаем, как небиологический химический процесс может превратиться в биологический. Так что же могут рассказать о возникновении жизни молекулы, недавно обнаруженные в метеоритах?

Жизнь на Земле зародилась более 3 миллиардов лет назад, с течением времени эволюционировав от элементарных микробов до невероятно сложных организмов. Но как жизнь на нашей планете возникла из «первобытного бульона» в нечто, настолько сложное, как Homo Sapiens? Одна из теорий предполагает «шокирующее» начало, другая идея ей противоречит, третья –пугает, четвертая – переворачивает все с ног на голову. Так где же правда? Давайте попробуем хотя бы немного разобраться в одном из сложнейших вопросов человечества, ответ на который ищут лучшие умы на протяжении тысячелетий.

Квантовая механика, представляющая из себя самый таинственный и малоизученный раздел физики, уже не раз удивляла ученых все новыми и новыми своими свойствами, мало согласующихся с традиционным макроскопическим миром. То, где же именно находится граница между ним и квантовым мирами, до сих пор остается нераскрытой загадкой. Вместе с тем, в своем недавнем эксперименте, физикам наконец-то удалось немного приоткрыть завесу тайны и показать, что даже массивные молекулы могут существовать в двух местах одновременно.

С момента создания самого первого компьютера технологии стали развиваться так стремительно, как ни развивалась ни одна другая отрасль. Сейчас вычислительные машины в современном понимании уже подошли к пику своего развития и если мы хотим и дальше развивать технологии, нам нужно что-то новое. И, возможно, ученые поняли, как создать компьютер нового типа.

Многие крупные компании никогда не удаляют информацию со своих серверов, поэтому есть риск того, что когда-нибудь человечеству будет негде хранить информацию. По крайней мере, это может случиться при использовании нынешних накопителей, но начав записывать информацию на ДНК или другие молекулы, проблему можно хотя бы временно устранить. Запись на молекулы ДНК происходит довольно долго и стоит больших денег, поэтому исследователи из Гарварда и Северо-Западного университета в Чикаго разработали новый метод, заключенный во внедрении данных в белковые молекулы.

Ученые давно подозревали, что примерно через 100 000 лет после Большого Взрыва гелий и водород объединились, образовав первую молекулу — гидрид гелия. Это помогло Вселенной начать остывать, что привело к формированию звезд. Однако, несмотря на десятилетия поисков, ученые никак не могли найти гидрид гелия в космосе. До нынешнего момента. Теперь гидрид гелия нашли в туманности NGC 7027 с помощью крайне хитроумного изобретения.

Обычно, когда ученые хотели изучить молекулярное содержимое отдельной клетки, ее приходилось убивать, буквально взрывая. Однако этот процесс обеспечивает лишь один снимок молекулярного состава клетки — в момент ее смерти. Нанопинцеты нового типа могут извлекать ДНК и другие отдельные молекулы из живой клетки, не убивая ее. Работа, посвященная им, появилась в Nature Nanotechnology на прошлой неделе. Новые нанопинцеты могут позволить ученым изучать происходящее в отдельных клетках, чтобы понять, как работают здоровые клетки и больные.

Ученые из Университета Манчестера создали первого в мире «молекулярного робота», способного выполнять задачи на молекулярном уровне, в том числе и строительство других молекул. Эти крошечные роботы, размер которых не превышает одну миллионную долю миллиметра, могут быть запрограммированы на передвижение и строительство молекулярного груза с использованием крошечного роботизированного манипулятора. Каждый робот способен манипулировать отдельными молекулами и состоит из 150 атомов водорода, кислорода и азота. Для сравнения: нужно сложить миллиард миллиардов таких роботов, чтобы они стали одного размера с гранулой соли.

Биологические молекулы • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Биологические молекулы имеют модульное строение. К числу важных классов биологических молекул относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Множество других молекул в клетке играют роль «энергетической валюты».

Жизнь — таинственная, сложная, загадочная — не что иное как совокупность достаточно крупных молекул и довольно простых химических реакций. Если бы вам понадобилось конструировать крупные молекулы, вы пошли бы по одному из двух путей. Либо, как в кустарном ювелирном деле, вы стали строить каждую молекулу «с нуля», проделывая каждый раз уникальную работу. Либо — этот путь используется в современных строительных технологиях — вы бы изготовили набор простых молекул, из которых можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Оказывается, именно такое модульное строение имеют биологические молекулы. Согласно теории эволюции, таким и должен был быть самой простой путь к крупным молекулам, поскольку в начале эволюционного процесса необходимость в конструировании очень сложных молекул отсутствовала. Со временем же могли добавляться новые модули, расширяя коллекцию крупных разнородных элементов, что вполне соответствует духу эволюции.

Белки

Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода (Н⁺) одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила (ОН^–) другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. Катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков.

Углеводы

Углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1:2:1. Во многих живых системах молекулы углеводов выполняют роль источников энергии. Одним из важнейших углеводов можно считать сахар глюкозу, содержащую шесть атомов углерода (С₆Н₁₂О₆). Глюкоза — конечный продукт фотосинтеза и, следовательно, основа всей пищевой цепи в биосфере. Соединяя молекулы глюкозы, как основные строительные модули, можно получить сложные углеводы. Как и белки, углеводы играют вспомогательную роль в клетках, поскольку входят в клеточные структуры. Например, растительные волокна состоят из целлюлозы, которая представляет собой вереницу сцепленных особым образом молекул глюкозы.

Липиды

Липиды — это нерастворимые в воде органические молекулы. Вы получите правильное представление о липидах, если вообразите капельки жира, плавающие на поверхности бульона. В живых организмах липиды выполняют две важные функции. Один класс молекул — фосфолипиды — состоят из маленькой головки, содержащей фосфатную группу (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), и длинного углеводородного хвоста. Углеводородный хвост этой молекулы гидрофобен, то есть энергетическое состояние молекулы минимально, когда этот хвост находится не в воде. Напротив, фосфатная головка гидрофильна, то есть энергетическое состояние молекулы минимально при контакте головки с водой . Если поместить молекулы фосфолипидов в воду, они будут стремиться достичь минимального энергетического состояния и выстроятся таким образом, что их хвосты окажутся вместе, а головки — врозь. Такая двухслойная структура очень стабильна, поскольку головки будут в контакте с водой, но вода будет вытеснена из области, окружающей хвосты молекул. Для перемещения липидным молекулам необходима энергия — либо чтобы удалить гидрофильные участки из воды, либо чтобы поместить в воду гидрофобные участки. Из таких липидных двухслойных структур состоят клеточные мембраны и мембраны, разделяющие компоненты клетки. Эти пластичные и прочные молекулы отделяют живое от неживого.

Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов.

Нуклеиновые кислоты

Молекулы ДНК и РНК (см. Центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме.

Молекулы-переносчики энергии

Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.

Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т. д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.

Chem4Kids.com: Атомы: Соединения

Начнем с молекул. Молекула — это общий термин, используемый для описания любых атомов, соединенных химическими связями. Любая комбинация атомов является молекулой. Соединение – это молекула, состоящая из атомов разных элементов. Все соединения являются молекулами, но не все молекулы являются соединениями. Газообразный водород (H ₂) представляет собой молекулу, но не соединение, поскольку состоит только из одного элемента. Воду (H ₂ O) можно назвать молекулой или соединением, потому что она состоит из атомов водорода (H) и кислорода (O).

Существует два основных типа химических связей, удерживающих атомы вместе: ковалентные и ионные/электровалентные связи. Атомы, которые имеют общие электроны в химической связи, имеют ковалентные связи. Молекула кислорода (O ₂) является хорошим примером молекулы с ковалентной связью. Ионные связи возникают, когда электроны передаются от одного атома к другому. Поваренная соль (NaCl) является распространенным примером соединения с ионной связью.

Вы также можете узнать о третьем типе связи. Металлические связи возникают между атомами металла. Мы собираемся сосредоточиться на ионных и ковалентных связях.

Когда мы обсуждаем фазовые изменения в материи, мы имеем в виду физических изменений. Одни только физические силы (если вы не находитесь внутри Солнца или чего-то экстремального) редко полностью разрушают соединения. Вы можете применить тепло, чтобы растопить кубик льда, но молекулы воды не изменятся. Вы также можете поставить чашку с водой в контейнер и уменьшить давление. В конце концов вода закипит, но молекулы не изменятся.

Химические изменения в соединениях происходят при создании или разрушении химических связей. На связи между атомами действуют силы, изменяющие молекулярную структуру вещества. Вы можете налить жидкую кислоту на твердое и наблюдать за твердым растворить . Этот процесс представляет собой химическое изменение, потому что молекулярные связи создаются и разрушаются. Геологи поливают камни кислотой, чтобы проверить наличие определенных соединений.

Вокруг вас миллионы различных соединений. Вероятно, все, что вы видите, представляет собой тот или иной тип соединения. Когда элементы соединяются и становятся соединениями, они теряют многие свои индивидуальные черты. Сам по себе натрий (Na) очень реакционноспособен . Но когда натрий и хлор (Cl) объединяются, они образуют нереактивное вещество , называемое хлоридом натрия (поваренная соль, NaCl). Новые соединения практически не имеют физических или химических свойств исходных элементов. У них своя новая жизнь.

Если вы посмотрите на хлорид натрия, он удерживается одной ионной/электровалентной связью. А как насчет хлорида магния (MgCl ₂ )? Он содержит один атом магния (Mg) и два атома хлора (Cl). Имеются две ионные связи. Метан (CH ₄) состоит из одного углерода 9.0005 (C) и четыре атома водорода (H). Связей четыре, и все они ковалентные.

Эти примеры имеют очень простые химические связи. Однако большинство соединений имеют комбинации ионных и ковалентных связей. Давайте посмотрим на гидроксид натрия (Na-OH)…

Вы можете видеть натриевую часть (Na) слева и гидроксидную часть (-OH) справа. Связь, связывающая водород (Н) с кислородом (О), является ковалентной. Натрий связан с гидроксидной частью соединения ионной связью. Это хороший пример того, как в одном соединении могут быть разные типы связей.

► СЛЕДУЮЩАЯ СТРАНИЦА ПО АТОМАМ
► СЛЕДУЮЩАЯ ОСТАНОВКА ТУРА ПО САЙТУ
► ВИКТОРИНА ПО ХИМИЧЕСКИМ СОЕДИНЕНИЯМ
► ВЕРНУТЬСЯ НА НАЧАЛО СТРАНИЦЫ

► Или выполните поиск по сайтам…

Молекула диссектор — масс -спектрометр (NASA/GSFC Video)

Encyclopædia Britannica: Химические соединения
Wikipedia: Chemical Compounds
Encyclopedia.com: Compounds .slizons .comlizna 9000. comchriz .comlizna 9000.comchriz.0006

Обзор
Структура
Орбиты
Электроны
Ионы
Нейтроны
Изотопы
Склеивание
Соединения
Названия соединений
Передовые идеи

7.2: Молекулярный взгляд на элементы и соединения

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 118809

Цели обучения

Классифицировать вещества как атомарные элементы, молекулярные элементы, молекулярные соединения или ионные соединения.

Атомные элементы

Большинство элементов существует с отдельных атома в качестве их основной единицы. Предполагается, что в формуле присутствует только один атом, если справа от символа элемента нет числового нижнего индекса.

Молекулярные элементы

Существует множество веществ, которые существуют в виде двух или более атомов, соединенных вместе настолько прочно, что ведут себя как одна частица. Эти многоатомные комбинации называются молекулами . Молекула – это наименьшая часть вещества, обладающая физическими и химическими свойствами этого вещества. В некоторых отношениях молекула похожа на атом. Однако молекула состоит из более чем одного атома.

Таблица \(\PageIndex{1}\): элементы, существующие в виде двухатомных молекул
Водород, H	Кислород	Азот	Фтор	Хлор	Бром	Йод

Некоторые элементы существуют в природе в виде молекул. Например, водород и кислород существуют в виде двухатомных молекул. Другие элементы также существуют в природе в виде двухатомных молекул — молекул только с двумя атомами (таблица \(\PageIndex{1}\)). Как и любая молекула, эти элементы помечены цифрой 9.0004 молекулярный формула , формальный список того, что и сколько атомов входит в молекулу. (Иногда используется только слово формула , и его значение выводится из контекста.) Например, молекулярная формула элементарного водорода H ₂ , где H является символом водорода, а нижний индекс 2 подразумевает, что существует два атома этого элемента в молекуле. Аналогичные формулы имеют и другие двухатомные элементы: O ₂ , N ₂ и так далее. Другие элементы существуют в виде молекул, например, сера обычно существует в виде восьмиатомной молекулы, S ₈ , тогда как фосфор существует в виде четырехатомной молекулы P ₄ (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Молекулярное искусство молекул S ₈ и P ₄. Если каждый зеленый шарик представляет атом серы, то диаграмма слева представляет молекулу S ₈. Молекула справа показывает, что существует одна форма элементарного фосфора в виде четырехатомной молекулы.

На рисунке \(\PageIndex{1}\) показаны два примера того, как молекулы будут представлены в этом тексте. Атом представлен маленьким шариком или сферой, что обычно указывает, где в молекуле находится ядро. Цилиндрическая линия, соединяющая шары, представляет собой связь между атомами, которые делают этот набор атомов молекулой. Это соединение называется химической связью.

Ионные соединения

Элементы периодической таблицы разделены на определенные группы; металлы, неметаллы, полуметаллы и так далее. Эти группировки в значительной степени основаны на физических свойствах и склонности различных элементов связываться с другими элементами, образуя либо ионную, либо ковалентную связь. Как правило, соединения, которые включают металлическую связь с неметаллом или полуметаллом, будут демонстрировать ионную связь. Таким образом, соединение, образованное из натрия и хлора, будет ионным (металл и неметалл). Основной единицей ионных соединений является формульная единица .

Молекулярные соединения

Соединения, состоящие только из неметаллов или полуметаллов с неметаллами, будут иметь ковалентную связь и будут классифицироваться как молекулярные соединения. Монооксид азота (NO) будет ковалентно связанной молекулой (два неметалла), а диоксид кремния (SiO ₂) также будет ковалентно связанной молекулой (полуметалл и неметалл). Основной единицей молекулярных соединений является молекула .

Пример \(\PageIndex{1}\)

Приведите классификацию (т. е. атомарный элемент, молекулярный элемент, молекулярное соединение или ионное соединение) каждого вещества.

Fe
ПКл ₃
LiBr
П ₄
газообразный кислород

Раствор

Fe (железо) — это элемент, который представлен без нижнего индекса, поэтому это атомный элемент .