Молекулы какие бывают: 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.

Молекула | Определение, примеры, структуры и факты

представления молекулярной структуры

Просмотреть все средства массовой информации

Ключевые люди:: Дж. Фрейзер Стоддарт
Джозеф Лошмидт
Курт Вютрих
Бернард Феринга
Герберт А. Хауптман

Похожие темы:: радикальный
биомолекула
конфигурация
конформация
гомоядерная молекула

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

молекула , группа из двух или более атомов, которые образуют наименьшую идентифицируемую единицу, на которую можно разделить чистое вещество, сохраняя при этом состав и химические свойства этого вещества.

Характеристики молекул

Деление образца вещества на все более мелкие части не приводит ни к изменению его состава, ни к химическим свойствам до тех пор, пока не будут получены части, состоящие из отдельных молекул. Дальнейшее подразделение вещества приводит к еще более мелким частям, которые обычно отличаются от исходного вещества по составу и всегда отличаются от него химическими свойствами. На этой последней стадии фрагментации химические связи, удерживающие атомы в молекуле, разрываются.

Атомы состоят из одного ядра с положительным зарядом, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Когда атомы близко подходят друг к другу, электронные облака взаимодействуют друг с другом и с ядрами. Если это взаимодействие таково, что общая энергия системы снижается, то атомы связываются вместе, образуя молекулу. Таким образом, со структурной точки зрения молекула состоит из скопления атомов, удерживаемых вместе валентными силами. Двухатомные молекулы содержат два атома, которые химически связаны. Если два атома идентичны, как, например, в молекуле кислорода (O ₂ ), они составляют гомоядерную двухатомную молекулу, а если атомы разные, как в молекуле монооксида углерода (СО), то составляют гетероядерную двухатомную молекулу. Молекулы, содержащие более двух атомов, называются многоатомными, например, двуокись углерода (CO ₂ ) и вода (H ₂ O). Молекулы полимеров могут содержать многие тысячи атомов компонентов.

Молекулярная связь

Отношение числа атомов, которые могут быть связаны друг с другом для образования молекул, является фиксированным; например, каждая молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода. Именно эта особенность отличает химические соединения от растворов и других механических смесей. Таким образом, водород и кислород могут присутствовать в любых пропорциях в механических смесях, но при искровом разряде они будут соединяться только в определенных пропорциях, образуя химическое соединение вода (H ₂ О). Возможно, что одни и те же виды атомов соединяются в разных, но определенных пропорциях, образуя разные молекулы; например, два атома водорода могут химически соединиться с одним атомом кислорода с образованием молекулы воды, тогда как два атома водорода могут химически соединиться с двумя атомами кислорода с образованием молекулы перекиси водорода (H ₂ O ₂ ). Кроме того, атомы могут связываться друг с другом в одинаковых пропорциях, образуя разные молекулы. Такие молекулы называются изомерами и отличаются только расположением атомов внутри молекул. Например, этиловый спирт (СН ₃ CH ₂ OH) и метиловый эфир (CH ₃ OCH ₃ ) содержат один, два и шесть атомов кислорода, углерода и водорода соответственно, но эти атомы связаны по-разному.

Викторина «Британника»

Наука: правда или вымысел?

Вас увлекает физика? Устали от геологии? С помощью этих вопросов отделите научный факт от вымысла.

Не все вещества состоят из отдельных молекулярных единиц. Хлорид натрия (поваренная соль), например, состоит из ионов натрия и ионов хлора, расположенных в решетке так, что каждый ион натрия окружен шестью равноудаленными ионами хлора, а каждый ион хлора окружен шестью равноудаленными ионами натрия. Силы, действующие между любым натрием и любым соседним ионом хлора, равны. Следовательно, не существует отдельного агрегата, идентифицируемого как молекула хлорида натрия. Следовательно, в хлориде натрия и во всех твердых телах подобного рода понятие химической молекулы не имеет значения. Поэтому формула такого соединения дается как простейшее соотношение атомов, называемое формульной единицей, в случае хлорида натрия — NaCl.

Молекулы удерживаются вместе общими электронными парами или ковалентными связями. Такие связи являются направленными, что означает, что атомы занимают определенное положение относительно друг друга, чтобы максимизировать силу связи. В результате каждая молекула имеет определенную, достаточно жесткую структуру или пространственное распределение ее атомов. Структурная химия имеет дело с валентностью, которая определяет, как атомы объединяются в определенных соотношениях и как это связано с направлениями и длинами связей. Свойства молекул коррелируют с их строением; например, молекула воды структурно изогнута и поэтому имеет дипольный момент, тогда как молекула углекислого газа является линейной и не имеет дипольного момента. Выяснение того, каким образом атомы реорганизуются в ходе химических реакций, имеет важное значение. В некоторых молекулах структура может быть нежесткой; например, в этане (H ₃ CCH ₃ ) существует практически свободное вращение вокруг простой связи углерод-углерод.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Что такое молекулы? — Universe Today

На протяжении тысячелетий ученые размышляли над загадкой жизни, а именно над тем, что нужно для ее создания? Согласно большинству древних культур, жизнь и все существование состоят из основных элементов природы, то есть Земли, Воздуха, Ветра, Воды и Огня. Однако со временем многие философы начали выдвигать идею о том, что все вещи состоят из крошечных неделимых вещей, которые нельзя ни создать, ни разрушить (т. е. частиц).

Однако это было в основном философское понятие, и только с появлением атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые в комбинации, производят основные строительные блоки всех вещей. Молекулы, как они их называли, произошли от латинского «moles» (что означает «масса» или «барьер»). Но в контексте современной теории элементарных частиц этот термин относится к малым единицам массы.

Определение:

Согласно классическому определению, молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая химические и физические свойства этого вещества. Они состоят из двух или более атомов, группы одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.

Впечатление художника от простых и сложных органических (углеродосодержащих) молекул, обнаруженных в космосе. Авторы и права: IAC/NASA/NOAO/ESA/Hubble Helix Nebula Team/M. Майкснер/STScI/Т.А. Ректор/НРАО

Может состоять из атомов одного химического элемента, как кислород (O2), или из разных элементов, как вода (h3O). Как компоненты материи, молекулы распространены в органических веществах (и, следовательно, в биохимии), и именно они допускают наличие живительных элементов, таких как жидкая вода и пригодная для дыхания атмосфера.

Типы связей:

Молекулы удерживаются вместе одним из двух типов связей — ковалентными связями или ионными связями. Ковалентная связь — это химическая связь, которая включает в себя совместное использование электронных пар между атомами. А образуемая ими связь, являющаяся результатом стабильного баланса сил притяжения и отталкивания между атомами, известна как ковалентная связь.

Ионная связь, напротив, представляет собой тип химической связи, который включает электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами. Ионы, участвующие в этом типе связи, представляют собой атомы, потерявшие один или несколько электронов (называемые катионами), и те, которые приобрели один или несколько электронов (называемые анионами). В отличие от ковалентности этот перенос называется электровалентностью.

В простейших формах ковелантные связи возникают между атомом металла (как катион) и атомом неметалла (анионом), что приводит к таким соединениям, как хлорид натрия (NaCl) или оксид железа (Fe²O³) – также известный как. соль и ржавчина. Однако можно использовать и более сложные соединения, такие как аммоний (NH ⁴⁺ ) или углеводороды, такие как метан (CH ⁴ ) и этан (H³CCH³).

Схема молекулы воды, состоящей из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Кредит: britannica.com

История изучения

Исторически молекулярная теория и атомная теория переплетаются. Первые зарегистрированные упоминания о том, что материя состоит из «отдельных единиц», появились в древней Индии, где практикующие джайнизм придерживались представления о том, что все вещи состоят из маленьких неделимых элементов, которые объединяются в более сложные объекты.

В Древней Греции философы Левкипп и Демокрит придумали термин «атомос» для обозначения «мельчайших неделимых частей материи», от которого мы получили современный термин «атом».

Затем, в 1661 году, натуралист Роберт Бойль в трактате по химии под названием « Химик-скептик » утверждал, что материя состоит из различных комбинаций «корпускул», а не из земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако. эти наблюдения ограничивались областью философии.

Только в конце 18-го и начале 19-го века Закон сохранения массы Антуана Лавуазье и Закон кратных пропорций Дальтона привели атомы и молекулы в область точных наук. Первый предположил, что элементы являются основными веществами, которые не могут быть далее расщеплены, в то время как последний предположил, что каждый элемент состоит из одного уникального типа атома и что они могут соединяться вместе, образуя химические соединения.

Различные атомы и молекулы, изображенные в книге Джона Дальтона «Новая система химической философии» (1808 г.). Предоставлено: Public Domain

Дальнейшее благо произошло в 1865 году, когда Иоганн Йозеф Лошмидт измерил размер молекул, из которых состоит воздух, таким образом придав молекулам ощущение масштаба. Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) в 1981 году также впервые позволило непосредственно наблюдать за атомами и молекулами.

Сегодня наша концепция молекул совершенствуется благодаря постоянным исследованиям в области квантовой физики, органической химии и биохимии. А когда дело доходит до поиска жизни в других мирах, важно понимать, что нужно органическим молекулам, чтобы они возникли из комбинации химических строительных блоков.

Мы написали много интересных статей о молекулах для Universe Today. Молекулы из космоса могли повлиять на жизнь на Земле, молекулы пребиотиков могут образовываться в атмосфере экзопланет, органические молекулы, обнаруженные за пределами нашей Солнечной системы, «предельные» молекулы пребиотиков, обнаруженные в межзвездном пространстве.

Для получения дополнительной информации посетите страницу Encyclopaedia Britannica о молекулах.

Мы также записали целую серию Astronomy Cast all about Molecules in Space. Послушайте, Эпизод 116: Молекулы в космосе.