Кому-то этот вопрос может показаться излишне простым и не требующим дополнительных пояснений. Вероятно, и сама тема статьи тогда будет восприниматься как абсурд. Но я заметил, что в комментариях к моим материалам на самых разных платформах, наблюдается путаница между атомами и молекулами, а потому хочется, чтобы был простой материал, описывающий детали этой проблемы.
Многие уважаемые читатели полагают, что если есть некая абстрактная структура материала, то обязательно она состоит из молекул, а атомы... А атомы там просто есть. Они как-то группируются и становятся базовым элементом любой структуры. Но неизменно, что атомы должны обязательно стать молекулой и только потом из молекул будет собрано вещество. И уж точно атомы не могут соединяться друг с другом без формирования молекулы.
Между тем, существуют материалы без молекул. Они состоят только из атомов, которые непосредственно соединены друг с другом и это вещества немолекулярного строения. Такие вещества часто именуются кристаллическими, но это не всегда соответствует действительности, а потому давайте называть их именно немолекулярными. Примером могут служить многие металлы, окись кремния, углерод и прочие, прочие.
Соответственно, вещества из молекул будут называться молекулярными. Таких тоже немало и тут можно вспомнить практически любое органическое вещество.
Вот только… почему одни вещества имеют молекулярное строение, а другие — довольствуются объединением атомов без промежуточных агломераций?
Как бы это жутко оно не звучало - всё дело в выгоде. Энергетической выгоде. Но чтобы окончательно разобраться в проблеме, нам нужно сформулировать определение молекулы, разобраться с поведением атомов при их объединении и добиться понимания появления химической связи в природе.
Атомы в строении материала и их объединение
Мы можем смело утверждать, что все тела состоят из атомов. Более того, чтобы получилась материя, нужно соединить атомы друг с другом. Пока мы не рассматриваем разные интересные свойства, которые изучает квантовая физика, можно смело использовать простую аналогию с магнитными шариками. Каждый атом — это шарик из конструктора типа неокуб. Атомы имеют свойства притягиваться и отталкиваться. В этом они отличаются от шариков конструктора, поскольку там очевидно лишь наличие притяжения. Начнём с притяжения шариков-атомов.
Притяжение между атомами описывается несколькими силами. Среди них самая значимая — электростатическое кулоновское притяжение. Оно и делает основной вклад в формирование атома. Но как это работает?
Всё следует из устройства атома. Согласно стандартной модели атом имеет ядро, заряженное положительно, и вокруг окружен электронами, имеющими отрицательный заряд. Представим, что рядом оказалось несколько таких атомов.
Мы помним общий принцип, про противоположности, которые притягиваются. Частенько эту логику навязывают на жизненные ситуации, но там она не то, чтобы хорошо работала. Скорее всё выходит наоборот...
Атомы, которые оказываются рядом, имеют ядра и электроны вокруг них. Ядро положительное, а электроны - отрицательные. В какой-то момент и на некотором характерном расстоянии, отрицательные электроны начинают притягиваться к положительным ядрам атома. Но это не их родное ядро в уже существующем атоме, а ядро соседа. Образуется общая пара (хотя это сотни и тысячи атомов, поэтому речь не о парах, а о огромных группах) и электроны одного атома начинают притягиваться к ядру соседа. Атомы «входят в зацепление». Участвует в процессе и вездесущее гравитационное притяжение, хотя значения незначительные и в этом контексте нам не важны. Есть и более экстравагантные силы взаимодействия, типа сил Ван-дер-Ваальса или дисперсионных сил, но и их трогать не будем.
Получился неокуб, который слипся. Магнитные шарики сблизились. Но реальные атомы не подпустят соседей так близко, как шарики конструктора. В общем-то, это даже хорошо. В дело включается второй базовый механизм - отталкивание. В нашем примере с конструктором его нет.
Удивительно, но отталкивание между атомами описывается теми же силами. Только там, где "противоположности притягивались", заряды одного знака теперь отталкиваются. Напомню, что ядро атома окружено электронами. У двух атомов есть электронная оболочка и это заряды одного знака. Одноименные заряды отталкиваются. Тут есть множество разных интересных, но очень сложных эффектов, которые нам сейчас не особенно полезны и запутают. Например, стоило бы упомянуть тут одинаковый спин электронов и похожие вещи, но тогда мы отвлечемся от главной темы. Потому вернёмся к вопросу.
Когда несколько атомов оказываются рядом, то они начинают притягиваться друг к другу. Ядро тянет к себе чужие электроны. Но у этого ядра уже есть и собственные электроны. При сближении на достаточное расстояние, электроны атомов начинают отталкивать друг друга из-за одноименного заряда. Получается, что несколько атомов повисают в равновесии рядом друг с другом — ближе притянуться они уже не могут, поскольку отталкиваются, а сила взаимодействия удерживает их рядом. Вот, собственно говоря, и самое основное, что следует знать про формирование материи.
Вновь вспоминаем конструктор из магнитных шариков и видим, что там наблюдается модель атомов, объединившихся друг с другом.
Ну а что с молекулами?
Мы описали стремление атомов присоединяться друг к другу и формировать связанные взаимодействием группы. Вот только соединяются они не всегда одинаково.
Если заглянуть в корень упрощения про соединения друг с другом, то на практике атомы могут объединяться в группы самыми разными образами. Это описывается типами химической связи между атомами. Именно эта связь определяет возможность формирования соединений как таковых и у каждого типа связи есть свой собственный механизм.
В каком-то случае частицы могут залипнуть рядом друг с другом в результате перекрытия электронных облаков (металлическая связь), где-то будут образовываться пары валентных электронов с соседними атомами (ковалентная связь) и начнут происходить самые разные интересные взаимодействия. Типов химической связи есть много, но нам тут важно другое.
Выбор типа такой связи определяется множеством параметров, начиная от внешних воздействий на систему и кончая внутренним устройством группы близких частиц. Главное тут — это специфика соединения.
Представьте себе, что подкинули в воздух горсть кусочков магнита неправильной формы. Именно неправильных фрагментов, а не шариков по той причине, что шарики, вероятнее всего, образуют правильную равномерную структуру при объединении. Обломки магнита слипнутся же друг с другом стихийно и точно «неправильно». Похожие друг на друга фрагменты слипнутся схожим образом, тогда как иные формы прилипнут к системе как-то иначе. При этом мы помним, что идеальные ровные магнитные шарики слипнутся всегда «правильно» и даже красиво.
Приближенно можно полагать, что осколок иллюстрирует один тип атома, а шарик — другой. Если подкидывать сразу шарики и осколки, то получится непонятная неравновесная система.
В одном случае атомы, которые иллюстрируются магнитными шариками, образуют равновесную закономерную структуру, где каждый атом может присоединяться к уже существующей группе. В другом — к каждому шарику будет присоединяться два (или три, или больше) фрагмента определенной формы.
Объясняется это разнообразие энергетической выгодой и наличием свободной энергии у системы. В общем-то, именно это определяет и тип связи, и специфику последующих процессов, и всю судьбу нового материала из атомов.
Вынесем из этого примера главное. В одном случае одинаковые шарики выгодно соединяются непосредственно друг с другом и формируют равновесную систему. В другом — сложные фрагменты магнита вперемешку с шариками сначала формируют какие-то агрегаты из одного шарика и нескольких частичек магнита, а только потом продолжают создавать общую структуру материала. При этом в структуре материала будет легко прослеживаться существование таких «промежуточных» групп из фрагментов и шарика. Это и есть молекулярные материалы. Тут можно вспомнить серу или воду в качестве примеров, поскольку их изображения регулярно мелькают в статьях.
Что такое молекула и как она в итоге собирается из атомов?
Теперь вспомним, что такое молекула и проведем параллель со всеми приведенными данными. Молекулой называется система, образованная из двух или более связанных химическими атомов. В нашем примере - это тот самый промежуточный элемент структуры из шарика и фрагментов магнита. При этом совершенно не обязательно, чтобы фрагменты отличались друг от друга. Важно лишь, чтобы формировались промежуточные блоки из групп атомов, которые потом соединятся в полноценный материал.
Противопоставляется этому структура, где будут только атомы, находящиеся рядом друг с другом. Они не будут формировать промежуточные модули и начнут строить материал без таких блоков.
Из аналогии следует простой принцип. Для того, чтобы образовалась молекула (а не формировалась атомная решётка, как обычно бывает у металлов) необходимо наличие подходящих атомов, благоприятное влияние внешних условий среды и, что самое главное, энергетическая выгода. Фрагментам из примера было выгоднее прилипнуть друг к другу именно таким образом и зацепить при этом ещё и шарик. Это предпочтительнее, чем тянуть к себе только шарики. В итоге образовался фрагмент, состоящий из кусочков и шариков, который стал молекулой, а потом уже фрагменты собрались в материал.
Иногда системе энергетически выгодно, чтобы атомы соединялись непосредственно друг с другом, как это будет с шариками, а иногда выгоднее образовать промежуточные группы в виде молекул. Факторов в этом участвует настолько много, что перечислять их в контексте этой статьи не имеет никакого смысла.
Промежуточные группы из атомов простейшего типа — это и есть молекулы. В некоторых случаях мы строим стенку из кирпичей по одному, а в некоторых — берем объединённые группы кирпичей, где сразу слеплены четыре кирпича. В результате всё равно получается кирпичная стенка. Но она или из единичных кирпичей, или из объединенных групп.
Ещё Пьер Гассенди выдвинул идею, что атомы, взаимодействуя друг с другом, не объединяются непосредственно в материал, а сначала формируют сложные образования — молекулы. Дальше материал собирается уже из молекул. Согласно его концепции, молекула рассматривалась как наименьшая частица вещества, сохраняющая его уникальные химические характеристики. Это важное дополнение, поскольку у молекулы наблюдаются свойства, характерные для всего материала и это отличает молекулярное строение от немолекулярного. Кстати, и тут не обошлось без Эйнштейна.
Некоторые время подход считался спорным, но Эйнштейн (опять он) прорабатывал идею броуновского движения и описания его математической модели, а это впоследствии подтвердило и окончательно доказало существование молекулярных материалов как факта.
Вместо заключения
Из статьи вы должны уяснить, что существуют молекулярные и немолекулярные материалы. В некоторых случаях (когда это выгодно энергетически) атомы сначала образуют сложные системы, именуемые молекулами, а в некоторых — объединяются непосредственно друг с другом без промежуточных фрагментов.
⚠️ Не могу отказать себе в удовольствии, а потому хочу пригласить вас к себе. В Telegram-канале проекта есть ссылки на мои видео по теме и работы. Заходите, давайте дружить!
