Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.

Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10 -8 см.

Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%).

Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Моль вещества

Массы отдельных молекул и атомов очень малы, поэтому в расчётах удобнее использовать не абсолютные значения масс, а относительные.

Относительная молекулярная масса (или относительная атомная масса ) вещества М r – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.

М r = (m 0) : (m 0C / 12)

где m 0 – масса молекулы (или атома) данного вещества, m 0C – масса атома углерода.

Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.

Атомная единица массы – это 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Точные измерения показали, что атомная единица массы составляет 1,660*10 -27 кг, то есть

1 а.е.м. = 1,660 * 10 -27 кг

Относительная молекулярная масса вещества может быть вычислена путём сложения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества. Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

В периодической системе Д.И. Менделеева для каждого элемента указана атомная масса , которая измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, атомная масса магния равна 24,305 а.е.м., то есть магний в два раза тяжелее углерода, так как атомная масса углерода равна 12 а.е.м. (это следует из того, что 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода, который составляет большую часть атома углерода).

Зачем измерять массу молекул и атомов в а.е.м., если есть граммы и килограммы? Конечно, можно использовать и эти единицы измерения, но это будет очень неудобно для записи (слишком много чисел придётся использовать для того, чтобы записать массу). Чтобы найти массу элемента в килограммах, нужно атомную массу элемента умножить на 1 а.е.м. Атомная масса находится по таблице Менделеева (записана справа от буквенного обозначения элемента). Например, вес атома магния в килограммах будет:

m 0Mg = 24,305 * 1 a.e.м. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг

Массу молекулы можно вычислить путём сложения масс элементов, которые входят в состав молекулы. Например, масса молекулы воды (Н 2 О) будет равна:

m 0Н2О = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10 -27 кг

Моль равен количеству вещества системы, в которой содержится столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода С 12 . То есть, если у нас есть система с каким-либо веществом, и в этой системе столько же молекул этого вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода, то мы можем сказать, что в этой системе у нас 1 моль вещества .

Постоянная Авогадро

Количество вещества ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.

ν = N / N A

где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело.

N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях.

Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856).

В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.

N A = 6,02 * 10 23 моль -1

Молярная масса – это масса вещества, взятого в количестве одного моля:

μ = m 0 * N A

где m 0 – масса молекулы.

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1).

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:

μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]

Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:

m = m 0 N = m 0 N A ν = μν

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:

ν = m / μ

Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:

m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

Более точное определение массы атомов и молекул достигается при использовании масс-спректрометра – прибора, в котором происходит разделение пучком заряженных частиц в пространстве в зависимости от их массы заряда при помощи электрических и магнитных полей.

Для примера найдём молярную массу атома магния. Как мы выяснили выше, масса атома магния равна m0Mg = 40,3463 * 10 -27 кг. Тогда молярная масса будет:

μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 кг/моль

То есть в одном моле «помещается» 2,4288 * 10 -2 кг магния. Ну или примерно 24,28 грамм.

Как видим, молярная масса (в граммах) практически равна атомной массе, указанной для элемента в таблице Менделеева. Поэтому когда указывают атомную массу, то обычно делают так:

Атомная масса магния равна 24,305 а.е.м. (г/моль).

Понятно, что мы не сможем непосредственно измери ть такую малую частичку вещества. Мы проведем опыт, из которого путем простых расчетов можно определить размер молекул. Вы, конечно, видели на поверхности воды тонкие цветные пленки, образуемые нефтепродуктами (смазочные масла, дизельное топливо и т. п.). Цвет тонких пленок возникает из-за наложения световых лучей, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки - такое явление называется интерференцией света. ПотоЙ же причине переливаются всеми цветами радуги мыльные пузыри.
Явление интерференции вы будете изучать на уроках физики. А сейчас нас интересует толщина пленки - !зы никогда не задумывались, насколько она ййїкіія? Определить толщину пленки очень просто: надо ее объем разделить на площадь поверхности. Еще древние мореплаватели заметили, что если на поверхность воды вылить растительное масло, то оно растечется очень большим пятном (тогда же появилось довольно странное мнение о том, что таким способом можно «утихомирить» море во время бури). Вероятно, впервые измерил площадь масляного пятна на воде выдающийся американский ученый и дипломат Бенджамин Франклин (1706- 1790), изображение которого красуется на стодолларовой купюре. Его самое знаменитое изобретение - громоотвод (вернее, молниеотвод). В 1774 году Франклин поехал в Европу, чтобы уладить очередной конфликт между Англией и США. В свободное от переговоров время он экспериментировал с масляными пленками на поверхности воды. К его удивлению, одна ложка растительного масла растеклась по всей поверхности небольшого пруда. Если же налить па воду не растительное, а невязкое машинное масло, пятно от него будет не таким большим: одна капля дает круг диаметром около 20 см. Площадь такой пленки равна примерно 300 см3, объем одной капли - около 0,03 см3. Следовательно, толщина пленки равна 0,03 см1 / 300 см3 = 0,0001 см = 0,001 мм - 1 мкм. Тысячная доля миллиметра - это очень малая величина, не во всякий микроскоп разглядишь час тичку такого размера.
Но есть ли у нас гарантия, что молекулы машинного масла растеклись по воде в один слой? Ведь только в этом случае толщина пленки будет соответствовать размеру молекул. Такой гарантии у нас нет, и вот почему. Молекулы, входящие в состав машинного масла, называют гидрофобными (в переводе с греческого «гидрофобные» - «боящиеся воды»). Они довольно хорошо «сцепляются» между собой, очень неохотно - с молекулами воды. Если вещество, подобное машинному маслу, налить на поверхность воды, оно образует на ней довольно толстую (по молекулярным меркам) пленку, состоящую из сотен и даже тысяч молекулярных слоев. Помимо того, что подобные расчеты любопытны и сами по себе, они имеют большое практическое значение. Например, по сей день не удается избежать аварий огромных танкеров, перевозящих нефть за тысячи километров от места ее добычи. В результате такой аварии в море может вылиться огромное количество нефти, что губительно скажется на живых организмах. Нефть более вязкая по сравнению с машинным маслом, поэтому ее пленка на водной поверхности может оказаться несколько толще. Так, в одной из аварий вылилось 120 000 тонн нефти, которая покрыла площадь 500 км3. Как показывает несложный расчет, средняя толщина такой пленки равна 200 мкм. Толщина пленки зависит как от сорта нефти, так и от температуры воды: в холодных морях, где нефть делается более густой, пленка толще, в теплых морях, где нефть становится менее вязкой, - тоньше. Но в любом случае авария большого танкера, когда в море попадают десятки тысяч тонн нефти, - это катастрофа. Ведь если вся пролитая нефть растечется тонким слоем, то образуется пятно огромной площади, и ликвидировать такую пленку чрезвычайно трудно.
А можно ли заставить вещество растекаться по воде так, чтобы образовался всего один слой молекул (такая пленка называется мономолекулярной)? Оказывается, это возможно, только вместо машинного масла или нефти надо взять другое вещество. Молекулы такого вещества должны на одном конце иметь гак называемую гидрофильную (т. е. «водолюбивую») группу атомов, а на другом конце - гидрофобную. Что будет, если вещество, состоящее из таких молекул, поместить на поверхность воды? Гидрофильная часть молекул, стремясь раствориться в воде, будет тянуть молекулу в воду, тогда как гидрофобная часть, которая воды «боится», будет упорно избегать контакта с водой. В результате такого взаимного «непонимания» молекулы (если их слегка «поджать» сбоку с помощью планочки) выстроятся па поверхности воды так, как показано нарис. 3.1: их гидрофильные концы утоплены в воду, а гидрофобные торчат наружу.
\6666666666Ы/
Рис. 3.1. Так ориентируются на границе вода-воздух молекулы поверхностно-активных веществ, образуя «частокол Ленгмюра» - по имени американского химика и физика Ирвинга Ленгмюра (1881-1957), который в 1916 году создал теорию строения таких слоев на поверхности жидкостей
Вещества, которые ведут себя таким образом, называют поверхностно-активными. К ним относятся, например, мыло и другие моющие средства; олеиновая кислота, входящая в состав подсолнечного масла; паль-митиновый спирт, который входит в состав пальмового масла и китового жира. Растекание таких веществ по поверхности воды дает значительно более тонкие пленки, чем машинное масло. Это явление было известно давно, подобные опыты проводили еще в XVIII веке. Нотолько в конце XIX - начале XX столетия в результате экспериментов, проведенных английским физиком Джоном Уильямом Рэлеем (1842-1919), немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рент- геном (1845-1923) и рядом других ученых, было показано, что толщина пленки может достигать таких малых размеров, которые сопоставимы с размерами отдельных молекул.
В одном из таких опытов английский химик НеЙл Кенсингтон Адам Размеры порядка I нм имеют большинство молекул и ионов знакомых нам веществ. Так, диаметр молекул водорода равен примерно 0,2 нм, иода - 0,5 нм, этилового спирта - 0,4 нм; радиус ионов алюминия - 0,06 нм, натрия - 0,10 нм, к&чия - 0,13 нм, хлора - 0,18 нм, иода - 0,22 нм. Но есть среди молекул и гиганты, размеры которых, по молекулярным меркам, поистине астрономические. Так, в ядрах клеток высших животных и растений находятся молекулы наследственности - дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Их длина может превышать 2 000 000 нм, т. е. 2 мм!
В заключение этого раздела - небольшой рассказ о том, какой остро- умный (хотя и не самый точный) метод использовал в 1908 году французский ученый Жан Перрен, чтобы «взвесить» молекулы. Как известно, плотность воздуха уменьшается с высотой. Еще в начале XIX века французский ученый Пьер Лаплас вывел формулу, позволяющую рассчитать давление на разных высотах. В соответствии с этой формулой атмосферное давление падает вдвое при подъеме на каждые 6 км. Это значение зависит, конечно, от силы земного притяжения, а также от массы молекул воздуха. Если бы воздух состоял не из азота и кислорода, а из очень легких молекул водорода (они в 16 раз легче молекул кислорода), то падение атмосферного давления вдвое наблюдалосьбы на высоте не 6 км, а примерно в 16 раз больше, т. е. около 100 км. И наоборот, если бы молекулы были очень тяжелые, атмосфера была бы «прижата» к поверхности Земли и давление быстро падало бы с высотой.
Рассуждая таким образом. Перрен решил вместо молекул использовать крошечные шарики краски гуммигута, взвешенные в воде. Он постарался приготовить взвесь (эмульсию) с одинаковыми по размеру шариками - около 1 мкм в диаметре. Затем он поместил капельку эмульсии под микроскоп и, перемещая винт микроскопа по вертикали, считал число шариков гуммигута на разных высотах. Оказалось, что формула Лапласа вполне применима и к эмульсиям: при подъеме на каждые 6 мкм число шариков в поле зрения уменьшалось в два раза. Поскольку 6 км ровно в миллиард раз больше 6 мкм, Перрен сделал вывод, что во столько же раз молекулы кислорода и азота легче шариков гуммигута (а их массу уже можно определить экспериментально).

Диаметр молекулы воды равен примерно 0 0000000 Зсм.
Диаметр молекулы воды, вычисленный с помощью числа Аво-гадро, равен трем ангстремам. Подобная определенность объективно присуща молекуле любого вещества. Значит, структура выступает как пространственное расположение частиц в молекуле.
Диаметр молекулы воды составляет 0 29нм (2 9 А), что сопоставимо с размерами пор и дефектов большинства неметаллических материалов. Это обусловливает ее достаточно высокую проникающую способность, особенно в пористые силикатные материалы и композиты.
Диаметр молекулы воды равен всего 2 5 10 - 10 м, и водяной пар проходит сквозь мельчайшие поры. Плотные, непористые материалы не пропускают водяные пары и негигроскопичны. К ним относятся ситаллы, малощелочное стекло, вакуумно-плотная керамика, эпоксидные пластмассы и неполярные полимеры.
Стеклопластик на эпоксиполиэфирном связующем после 9 ч кипячения в дистиллированной воде.| Структура химически стойкого стеклопластика на основе смолы ПН-16 после экспонирования в течение 1000 ч I в кипящей воде (7500 х. Если диаметр молекулы воды равен 0 276 нм, то диаметр ионной атмосферы, определяющий эффективный размер ионов в растворе 0 6 % - ного NaCl, составляет примерно 1 нм. Увеличение концентрации раствора электролита вызывает рост толщины ионной атмосферы.
Поперечник их в местах расширения превышает диаметр молекул воды. Плавление льда сопровождается разрывом связей между некоторыми молекулами и провалом их в каналы структуры льда. Повышение температуры сопровождается дальнейшим разрушением структуры.
На поверхности последних образуется тонкая пленка толщиной в два-три диаметра молекул воды. При своем возникновении выделяет теплоту смачивания.
При толщине слоя адсорбированной влаги, равной 10 - 30 диаметрам молекул воды, по Б. В. Дерягину, образуется сольватный слой практически без выделения тепла. Этот слой, как указывает Ф. Е. Колясев, также имеет аномальные физико-химические свойства по сравнению с жидкостью в объеме.
Это объясняется тем, что материалы обладают пористой структурой и размеры пор превышают диаметр молекул воды. Кроме того, вдоль выводов элементов на границе соприкосновения материалов с различными коэффициентами линейного расширения образуются капилляры.
Физически связанная вода удерживается на поверхности минеральных частиц силами молекулярного сцепления и имеет форму тончайших пленок толщиной до нескольких сотен диаметров молекулы воды.
Толшина пленки воды на поверхности колеблется в пределах 0 5 - 3 0 - Ю 6 см. Если учесть, что диаметр молекулы воды равняется ЗА, то, следовательно, на поверхности в среднем образуется слой воды, равный 100 молекулам. Для создания водоотталкивающего слоя на поверхности керамики необходимо образовавшийся слой воды выдержать при относительной влажности 60 - 90 % в течении 4 час.
Воды в породах. Связанные воды удерживаются на поверхности минеральных частиц породы силами молекулярного сцепления, образуя слой, толщина которого может достигать нескольких сот диаметров молекулы воды. Внешняя, большая, часть этого слоя представлена рыхло связанной (лиосорбиро-ванной) водой.

Как видно из таблицы, отношение R - г, т, е, расстояния между двумя сферами гидратного комплекса к диаметру молекулы воды 2га, во многих случаях равно единице, или R - r - 2ra; иными словами, в таких комплексах молекулы воды окружают центральный ион, будучи расположены вокруг оболочкой, толщиной в молекулу, в один слой.
Толщина пленки воды на поверхности колеблется в пределах 0 5 - 3 0 - 10 - 6 см. Если учесть, что диаметр молекулы воды равняется ЗА, то, следовательно, на поверхности в среднем образуется слой воды, равный 100 молекулам. Для создания водоотталкивающего слоя на поверхности керамики необходимо образовавшийся слой воды выдержать при относительной влажности 60 - 90 % в течении 4 час.
Кроме того, для экстраполяции к гг оо не может быть использована обратная функция только гг из-за влияния члена, определяемого радиусом или диаметром молекулы воды. Более полный расчет энтальпии гидратации, подобный предложенному Букингемом , в котором учтены члены, связанные с ион-дипольными, диполь-дипольными и ди-поль-квадрупольными взаимодействиями, и влияние индуцированных дипольных моментов, приводит к еще более сложному показателю степени функции обратной величины ионного радиуса. Холливел и Найбург провели также несколько более изящный расчет, основанный на учете возможности координационных чисел 6 или 4 в основной гидратной оболочке и моделях твердой сферы и мягкой сферы для контакта ион - растворитель.
Влагопоглощение таких гетерогенных систем, как стеклопластики, можно рассматривать как две стороны одного процесса - проникновение подвижной среды с малым диаметром молекул (диаметр молекул воды равен 2 7 А) внутрь органического материала вследствие существования в нем молекулярных дырок, а также микропор на поверхности раздела волокно - смола и других дефектов структуры. Если микроскопические и субмикроскопические поры, трещины и капилляры в основном зависят от технологических причин и носят случайный характер, то межмолекулярные дырки всегда присущи органическим материалам. Поэтому для полимеров с большим диаметром молекулярных образований проницаемость для водяных паров является по существу неизбежной. У полимеров с кристаллической структурой, у кристаллических предельных углеводородов и жестких малополярных полимеров количество поглощаемой влаги будет ничтожно.
Для многоатомных ионов (например, для МпО) ионный радиус полагается равным кристаллографическому радиусу, а для одноатомных ионов к кристаллографическому радиусу добавляется диаметр молекулы воды.
Толщина пленки связанной воды при максимальной молекулярной влагоемкости составляет не менее 0 005 - 0 01 мкм, что соответствует примерно 20 - 40 диаметрам молекул воды.
Гельмгольцем в 1853 г. Он полагал, что двойной электрический слой состоит из двух слоев зарядов противоположного знака, находящихся друг от друга на расстоянии порядка диаметра молекулы воды: слоя зарядов на металле и слоя притянутых к нему ионов. Одновременно предполагалось, что заряды в обоих этих слоях равномерно размазаны вдоль поверхности, так что можно провести полную аналогию между двойным слоем и обычным плоским конденсатором.
Если предположить, что диаметр иона гидроксония равен диаметру молекулы воды, то расстояние между двумя ионами нептуния получится равным 10 3 А при использовании для радиуса ионов нептуния и диаметра молекулы воды величин, приведенных в работе Коена, Сулливана, Амиса и Хиндмана.
Первая простейшая модель двойного электрического слоя была предложена Гельмгольцем в 1853 г. Согласно Гельмголь-цу, двойной слой на границе металлический электрод - раствор представляет собой два слоя зарядов, расположенных на расстоянии порядка диаметра молекулы воды. Один слой зарядов находится на металле, другой - в растворе и состоит из притянутых к электроду противоположно заряженных ионов. Следует сразу оговорить, что предположение о размазанном заряде справедливо только для металлической обкладки. Для ионной обкладки оно выполняется тем лучше, чем более концентрированным является раствор и чем больше плотность зарядов на обкладках.
Таким образом, теория Борна является хорошим первым приближением, конечно, если не считать, что в качестве эффективных радиусов ионов принимаются величины, которые, как указали Или и Эванс , превышают радиусы в кристалле на половину диаметра молекул воды или атома кислорода. Улучшение простой электростатической теории может заключаться в рассмотрении кварцеподобной структуры воды вместо однородного диэлектрика. При этом необходимо ввести дополнительные энергетические члены, учитывающие взаимодействие иона с диполями растворителя, и межмолекулярное отталкивание, возрастающее при изменении ориентации диполей растворителя вблизи иона.
В работах 82, 83 ] было показано, что основной вклад в свободную энергию системы полипептид - растворитель вносят взаимодействия с ближайшими молекулами растворителя. Грубо говоря, если d - диаметр молекулы воды, то при расстояниях между рассматриваемой парой атомов rd / o (/ о - сумма их ван-дер-ваальсовых радиусов) молекулы воды вытесняются и вклад в свободную энергию становится равным нулю. С другой стороны, если мы будем сближать один атом с другим, то он вытеснит определенное количество молекул растворителя, пропорциональное объему этого атома U, но если расстояние станет меньше d r0, то количество вытесняемого растворителя практически не увеличится. Такого рода рассуждения привели Гибсона и Шерага к поиску аналитических выражений для энергии гидратации.
Исходя из предположения, что частички твердой фазы покрываются мономолекулярным слоем воды, определяют количество адсорб-ционно связанной воды. Толщина мономолекулярного слоя должна быть равна диаметру молекулы воды (h 2 76 10 - 8 см), так как каждый атом кислорода окружен тетраэдрически четырьмя другими атомами кислорода на расстоянии 2 76 А.
У металлов с диаметром атомов 2 76 А водородное перенапряжение оказывается наименьшим, а кислородное перенапряжение - наибольшим. Величина 2 76 А совпадает с диаметром молекулы воды. Плотнейшее заполнение поверхности электрода диполями воды повышает градиент потенциала в приэлектродном слое.
Наиболее прочно с твердой фазой почвы связан молекулярный слой воды. Толщина слоя полимолекулярной адсорбции может достигать нескольких сотен диаметров молекул воды. По мере удаления от твердой фазы связь воды становится менее прочной. Первые ряды молекул образуют прочно связанную или гигроскопическую воду. Чем дисперснее почва, тем больше будет сорбирована вода. Гигроскопическая вода достигает плотности 1 4 г / см3, не содержит растворенных веществ, не способна проводить электрический ток и передвигаться в почве. Количество воды, которое почва или грунт могут удержать при данной температуре и влажности воздуха, определяет гигроскопическую влажность почвы.

Данные о зависимости интенсивности рассеяния [ рентгеновских лучей в воде от угла между рассеянным излучением и падающим пучком лучей позволили показать, что в ближайшем окружении каждой молекулы воды в жидкости находится в среднем 4 4 - 4 8 молекул воды, что в общем согласуется с высказанным еще Берналом и Фаулером представлением о тетраэдрической структуре воды на очень близких расстояниях, правда, несколько искаженной по сравнению с кристаллической структурой льда. Эта структура существует еще на расстоянии примерно 1 6 диаметра молекулы воды от молекулы, рассматриваемой в качестве центральной, но уже на расстоянии 0 8 нм упорядоченность структуры жидкости практически исчезает. Прочность водородных связей в жидкой воде меньше, чем в кристалле льда, и связи эти могут довольно значительно изгибаться и растягиваться без разрыва при вращении одной молекулы относительно другой, уч аст-вующей в водородной связи.
Данные о зависимости интенсивности рассеяния рентгеновских лучей в воде от угла между рассеянным излучением и падающим пучком лучей позволили показать, что в ближайшем окружении каждой молекулы воды в жидкости находится в среднем 4 4 - 4 8 молекул воды, что в общем согласуется с высказанным еще Берналом и Фаулером представлением о тетраэдрической структуре воды на очень близких расстояниях, правда, несколько искаженной по сравнению с кристаллической структурой льда. Эта структура существует еще на расстоянии примерно 1 6 диаметра молекулы воды от молекулы, рассматриваемой в качестве центральной, но уже на расстоянии 0 8 нм упорядоченность структуры жидкости практически исчезает. Прочность водородных связей в жидкой воде меньше, чем в кристалле льда, и связи эти могут довольно значительно изгибаться и растягиваться без разрыва при вращении одной молекулы относительно другой, участвующей в водородной связи.
Уравнение Борна (IV.25), не учитывающее донорно-акцепторного взаимодействия иона с растворителем, дает неточный результат при расчете полной энергии гидратации, но оно вполне пригодно для вычисления энергии вторичной гидратации. Для расчета ДО в уравнение (IV.25) следует подставить радиус гидратного комплекса, который сложится из радиуса иона и диаметра молекулы воды, Най.
Толщина слоя гигроскопической воды строго не установлена. Большинство исследователей считают этот слой полимолекулярным, так, по Б. В. Деряги-ну, толщина его составляет 23 - 27 диаметров молекул воды.
А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. Хомутов в своих последующих работах обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента b в формуле Гафеля.
Изотерма адсорбции тетра - МИ9ПВОД9Ь С энергией, близкой метплоктаыбензолсульфоната натрия к кДж / моль. Величина из водных растворов при температу - последней превышает уменьше-ре 25е С на аэросиле. ние мольной свободной энергии. Длина углеводородного радикала этого иона равна 18 1 А, диаметр ополярной группы в водном растворе при С9 ККМХ - 8 88 А, а диаметр молекулы воды - 3 1 А.
Строение двойного электрического слоя на границе металл - раствор впервые было описано русским ученым Р. А. Колли в 1878 г. По его представлениям, двойной слой подобен плоскому конденсатору, обкладки которого расположены на расстоянии диаметра молекулы воды. Наружная обкладка образована слоем адсорбированных ионов. Они показали, что тепловое движение приводит к десорбции части ионов с поверхности металла (рис. 49) 1, которые образуют диффузный (рассеянный) слой. Последний сжат до определенной толщины электрическим полем заряженного металла. Его толщина уменьшается с повышением заряда металла и концентрации ионов в растворе и увеличивается с повышением температуры. Толщина адсорбционного слоя равна радиусу гидратированного иона. Диффузный слой отсутствует, если металл не несет избыточного электрического заряда, а также в концентрированных растворах электролитов.
Физические свойства гидрофильных волокон, таких как шерсть, волосы, найлон, искусственный шелк, сильно зависят от количества адсорбированной воды. Эти изменения свойств волокон обусловлены большой поляризуемостью воды (и, следовательно, большими значениями индуцированного дипольного момента), способностью молекулы воды образовывать относительно сильные водородные связи и ее сравнительно небольшим размером - диаметр молекулы воды составляет примерно 2 7 А.
Пластмассовый корпус. Кроме того, вода - химически активное вещество, которое способствует образованию растворов солей, кислот, щелочей, коллоидных растворов. Поскольку диаметр молекул воды равен 3 А, влага способна проникать через микропоры и микротрещины защитных материалов и пленок.
График функции распределения. Успехи современной науки в этой области позволяют утверждать, что как размеры, так и массы отдельных молекул твердо установлены. Если условно представлять себе молекулы в виде шариков, то их диаметры в большинстве случаев составят несколько ангстрем. Например, диаметр молекулы воды (Н2О) равен 2 6 - 10 - 10 м 2 6 А.
Главнейшими из сил, определяющих энергию адсорбции цемента, являются электростатические силы взаимодействия между ионами поверхности частиц и диполями воды. Эти силы имеют незначительный ра-диус действия, не превышающий нескольких ангстремов. На расстояниях от поверхности частиц более диаметра молекул воды силы взаимодействия дополняются поляризационными или дисперсионными ван-дер-ваальсо-выми силами, обусловленными мгновенными диполями, возникающими благодаря движению электронов в молекуле.
Если силы взаимодействия молекул воды с материалом больше сил взаимодействия молекул воды друг с другом, то вода будет хорошо смачивать такой материал. Если на поверхности материала имеются дефекты структуры, соизмеримые с диаметром молекулы воды (0 29 нм), то молекулы воды могут внедриться в объем материала и при наличии такой же по размеру пористости (дефектности) в объеме материала будут диффундировать по механизму активированной диффузии, аналогично диффузии газов. Силикатные стекла способны вполне свободно поглощать пары воды, так как размер дефектов в них находится в пределах от 0 7 до 1 7 нм.

Уравнение Борна (IV.25), не учитывающее донорно-акцепторного взаимодействия иона с растворителем, дает неточный результат при расчете полной энергии гидратации, но оно вполне пригодно для вычисления энергии вторичной гидратации. Для расчета ДО в уравнение (IV.25) следует подставить радиус гидратного комплекса, который сложится из радиуса иона и диаметра молекулы воды.
Схема относительного расположения плоскостей, соответствующих разрывам диэлектрической проницаемости (г 0 и г Aj, адсорбции ионов (г г0 и наибольшему приближению неадсорбированных ионов (г h. Вследствие этого центры всех адсорбированных ионов должны лежать в одной плоскости (часто именуемой внутренней плоскостью Гельмгольца) на расстоянии z0 от поверхности электрода. С другой стороны, ионы, которые не могут адсорбироваться или еще не адсорбировались, прочно удерживают по меньшей мере одну оболочку из молекул воды. Расстояние их наибольшего приближения к поверхности, которое обозначается hQ, должно приблизительно равняться сумме ионного радиуса и диаметра молекулы воды.
Кобозев (1947), а также Бокрис (1951) установили зависимость между работой выхода электрона и перенапряжением водорода. Хомутов (1950), сопоставляя величину перенапряжения водорода с минимальным расстоянием между атомами в металлах, нашел, что наименьшее перенапряжение наблюдается на металлах с межатомным расстоянием; около 2 7 А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. Хомутов в своих последующих работах обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента Ь в формуле Тафеля.
Хомутов (1950), сопоставляя величину перенапряжения водорода с минимальным расстоянием между атомами в металлах, нашел, что наименьшее перенапряжение наблюдается на металлах с межатомным расстоянием, близким к 2 7 А; при его увеличении или уменьшении перенапряжение закономерно возрастает. В своих последующих работах он обратил внимание на то, что межатомное расстояние, при котором перенапряжение оказывается минимальным, близко к диаметру молекулы воды, и предложил модельный метод расчета коэффициента b в формуле Тафеля.
Окончательное выражение для функции / (t) не приводится из-за его громоздкого вида. Задавая различные значения ij, по уравнениям (23.14) и (23.15) можно определить соответствующие друг другу величины С и ф0 и, таким образом, построить С, ф0 - кривую. При расчете предполагалось, что КГ 20 мкф / см2, Кт 38 мкф / см., а средняя толщина плотного слоя d была принята равной диаметру молекулы воды.
Окончательное выражение для функции / (tyi) не приводится из-за его громоздкого вида. Задавая различные значения г, по уравнениям (23.14) и (23.15) можно определить соответствующие друг другу величины С и ф0 и, таким образом, построить С, ф0 - кривую. При расчете предполагалось, что Ki0 2Q Ф / м2, / Сг0 38 ф / м2, а средняя толщина плотного слоя d была принята равной диаметру молекулы воды.

Когда два или более атома вступают в химические связи друг с другом, возникают молекулы. При этом не имеет значения, являются ли эти атомы одинаковыми или они вовсе отличаются друг от друга как по форме, так и по своему размеру. Мы с вами разберемся, какова величина молекул и от чего это зависит.

Что такое молекулы?

На протяжении тысячелетий ученые размышляли о тайне жизни, о том, что именно происходит при ее зарождении. Согласно самым древним культурам, жизнь и все-все в этом мире состоит из основных элементов природы - земли, воздуха, ветра, воды и огня. Однако со временем многие философы начали выдвигать идею, что все вещи состоят из крошечных, неделимых вещей, которые не могут быть созданы и уничтожены.

Однако только после появления атомной теории и современной химии ученые начали постулировать, что частицы, взятые в совокупности, породили основные строительные блоки всех вещей. Так появился термин, который в контексте современной теории частиц относится к мельчайшим единицам массы.

По своему классическому определению, молекула - это наименьшая частица вещества, которая помогает сохранять его химические и физические свойства. Она состоит из двух или более атомов, а также групп одинаковых или разных атомов, удерживаемых вместе химическими силами.

Какова величина молекул? В 5 классе природоведение (школьный предмет) дает лишь общее представление о размерах и формах, более подробно этот вопрос изучается в старших классах на уроках химии.

Примеры молекул

Молекулы могут быть простыми или сложными. Вот некоторые примеры:

• H 2 O (вода);
• N 2 (азот);
• O 3 (озон);
• CaO (оксид кальция);
• C 6 H 12 O 6 (глюкоза).

Молекулы, состоящие из двух или более элементов, называются соединениями. Так, вода, оксид кальция и глюкоза являются составными. Не все соединения являются молекулами, но все молекулы являются соединениями. Насколько большими они могут быть? Какова величина молекулы? Известен тот факт, что почти все вокруг нас состоит из атомов (кроме света и звука). Их общий вес и будет составлять массу молекулы.

Молекулярная масса

Говоря о том, какова величина молекул, большинство ученых отталкиваются от молекулярной массы. Это общий вес всех входящих в нее атомов:

• Вода, состоящая из двух атомов водорода (имеющих по одной единице атомной массы) и одного атома кислорода (16 единиц атомной массы), имеет молекулярный вес 18 (точнее, 18,01528).
• Глюкоза имеет молекулярную массу 180.
• ДНК, которая является очень длинной, может иметь молекулярную массу, которая составляет около 1010 (приблизительный вес одной человеческой хромосомы).

Измерение в нанометрах

В дополнение к массе мы также можем измерить, какова величина молекул в нанометрах. Единица воды составляет около 0,27 Нм в поперечнике. ДНК достигает 2 Нм в поперечнике и может растягиваться до нескольких метров в длину. Трудно себе представить, как такие размеры могут умещаться в одной клетке. Соотношение длины и толщины ДНК удивительно. Оно составляет 1/100 000 000, это как человеческий волос с длиной в футбольное поле.

Формы и размеры

Какова величина молекул? Они бывают разных форм и размеров. Вода и углекислый газ при этом являются одними из самых маленьких, белки - одними из самых больших. Молекулы - это элементы, состоящие из атомов, которые связаны друг с другом. Понимание внешнего вида молекул традиционно является частью химии. Помимо их непостижимо странного химического поведения, одной из важных характеристик молекул является их размер.

Где может быть особенно полезным знание о том, какова величина молекул? Ответ на этот и многие другие вопросы помогает в сфере нанотехнологий, так как концепция нанороботов и интеллектуальных материалов обязательно имеет дело с эффектами молекулярных размеров и форм.

Какова величина молекул?

В 5 классе природоведение по этой теме дает только общую информацию, что все молекулы состоят из атомов, которые находятся в постоянном беспорядочном движении. В старших классах можно уже увидеть структурные формулы в учебниках химии, которые напоминают действительную форму молекул. Однако невозможно измерить их длину с помощью обычной линейки, а чтобы это сделать, нужно знать, что молекулы представляют собой трехмерные объекты. Их изображение на бумаге является проекцией на двумерную плоскость. Длина молекулы изменяется с помощью связей длин ее углов. Существуют три основных:

• Угол тетраэдра 109°, когда все связи этого атома со всеми другими атомами являются одинарными (только одно тире).
• Угол шестиугольника 120°, когда один атом имеет одну двойную связь с другим атомом.
• Угол линии 180°, когда атом имеет либо две двойные связи, либо одну тройную с другим атомом.

Реальные углы часто отличаются от этих углов, так как необходимо учитывать целый ряд разнообразных эффектов, в том числе электростатические взаимодействия.

Как представить себе размер молекул: примеры

Какова величина молекул? В 5 классе ответы на этот вопрос, как мы уже говорили, носят общий характер. Школьники знают, что размер названных соединений очень маленький. Вот, например, если превратить молекулу песка в одной единственной песчинке в целую песчинку, то под получившейся массой можно было бы спрятать дом в пять этажей. Какова величина молекул? Краткий ответ, которой также является и более научным, имеет следующий вид.

Молекулярная масса приравнивается к отношению массы всего вещества к количеству молекул в веществе или отношению молярной массы к постоянной Авогадро. Единицей измерения является килограмм. В среднем молекулярная масса составляет 10 -23 -10 -26 кг. Возьмем, например, воду. Ее молекулярная масса будет 3 х 10 -26 кг.

Как размер молекулы влияет на силы притяжения?

Ответственной за притяжение между молекулами является электромагнитная сила, которая проявляется через притяжение противоположных и отталкивание подобных зарядов. Электростатическая сила, которая существует между противоположными зарядами, доминирует во взаимодействиях между атомами и между молекулами. Гравитационная сила настолько мала в этом случае, что ею можно пренебречь.

При этом размер молекулы влияет на силу притяжения через электронное облако случайных искажений, возникающих при распределении электронов молекулы. В случае неполярных частиц, проявляющих только слабые ван-дер-ваальсовые взаимодействия или дисперсионные силы, размер молекул оказывает прямое влияние на величину электронного облака, окружающего указанную молекулу. Чем она больше, тем больше и заряженное поле, которое ее окружает.

Большее электронное облако означает, что между соседними молекулами может происходить больше электронных взаимодействий. В результате одна часть молекулы развивает временный положительный частичный заряд, а другая - отрицательный. Когда это происходит, молекула может поляризовать электронное облако у соседней. Притяжение происходит потому, что частичная положительная сторона одной молекулы притягивается к частичной отрицательной стороне другой.

Заключение

Итак, какова величина молекул? В природоведении, как мы выяснили, можно найти лишь образное представление о массе и размерах этих мельчайших частиц. Но мы знаем, что есть простые и сложные соединения. И ко вторым можно отнести такое понятие, как макромолекула. Это очень большая единица, например белок, которая обычно создается путем полимеризации меньших субъединиц (мономеров). Они обычно состоят из тысяч атомов или более.

Кикоин А.К. Простой способ определения размеров молекул // Квант. - 1983. - № 9. - C.29-30.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

В молекулярной физике главные «действующие лица» - это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности каковы их размеры.

Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул значит знать их радиус.

Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В «Физике 9» рассказывается о двух из них. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. В другом размер частицы определяется с помощью сложного прибора - ионного проектора.

Существует, однако, очень простой, хотя и не самый точный, способ вычисления радиусов молекул (или атомов) Он основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N .

Число молекул в теле массой m равно, как известно, \(~N_a \frac{m}{M}\), где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства

\(~V_0 = \frac{V}{N} = \frac{V M}{m N_A}\) .

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение \(~\frac{m}{V} = \rho\) есть плотность вещества, так что

\(~V_0 = \frac{M}{\rho N_A}\) .

Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.

\(~\frac{4}{3} \pi r^3 = \frac{M}{\rho N_A}\) .

откуда мы и получаем выражение для радиуса молекулы:

\(~r = \sqrt {\frac{3M}{4 \pi \rho N_A}} = \sqrt {\frac{3}{4 \pi N_A}} \sqrt {\frac{M}{\rho}}\) .

Первый из этих двух корней - постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r ринимает вид

\(~r \approx 7,4 \cdot 10^{-9} \sqrt {\frac{M}{\rho}} (m)\) .

Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен r В ≈ 1,9 · 10 -10 м.

Описанный способ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарики нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул- шариков были бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.