Molekula

3D attēli (pa kreisi un vidū) un 2D attēls (pa labi) parāda molekulu uzbūvi no dažādiem atomiem.

Molekula ir mazākā vielas daļiņa, kas nosaka vielas ķīmisko sastāvu un visas fizikālās īpašības. Molekula parasti sastāv no diviem vai vairākiem atomiem, kas saistīti ar dalītu elektronu pāri, veidojot ķīmisko saiti. Molekula var sastāvēt no vienādiem atomiem (O₂) vai dažādiem atomiem (H₂O).

Parasti ar vārdu molekula apzīmē atomu kopumu, ko kopā tur kovalentās saites, lai arī ir vienatomu molekulas (cēlgāzēm).

Viena no molekulas īpašībām ir empīriskā formula. Visās ūdens molekulās ir divi ūdeņraža atomi un viens skābekļa atoms, etanols vienmēr satur C, H un O attiecībās 2:6:1, tomēr tas viennozīmīgi nenosaka molekulas struktūru, jo tādas pašas atomu attiecības (empīriskā formula) ir arī dimetilēterim. Molekulas ar vienādām empīriskajām formulām, bet dažādi sakārtotiem atomiem, sauc par izomēriem.

Molekulu eksistences pierādījums

Pirmo pārliecinošo, kaut arī netiešo atomu un molekulu eksistences pierādījumu ķīmijā deva angļu zinātnieks Džons Daltons. Daltons atklāja konstanto attiecību likumu. Saskaņā ar šo likumu, veidojoties jebkuram ķīmiskam savienojumam, reaģējošo vielu masas ir stingri noteiktās attiecībās. Piemēram, no ūdeņraža un skābekļa veidojoties ūdenim, reaģējošā ūdeņraža un skābekļa masu attiecība vienmēr ir 1:8. Šīs fakts kļūst saprotams tikai tajā gadījumā, ja pieņem, ka, veidojoties sīkākajai ūdens daļiņai - molekulai - noteikts ūdeņraža atomu skaits savienojas ar noteiktu skābekļa atomu skaitu. Ūdens molekula sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un viena skābekļa atoma. Tāpēc arī ūdeņraža un skābekļa masu attiecība, veidojoties ūdens molekulai, ir vienāda ar divkāršotu ūdeņraža atoma masas attiecību pret skābekļa atomu masu. Šī attiecība nekādos apstākļos nevar mainīties.

20.gadsimtā, izmantojot uzlabotu aparatūru, ar dažādiem paņēmieniem izdevās tieši noteikt atomu un molekulu izmērus.

Molekulu novērošana

Lielākā daļa molekulu ir pārāk mazas, lai tās varētu saskatīt ar neapbruņotu aci, jo tās ir veidotas no ierobežota skaita atomu un to lineārie izmēri ir salīdzinoši mazi, piemēram, ūdens molekulas diametrs ir aptuveni 3·10⁻¹⁰ m un vienā mililitrā ūdens ir 33 sekstiljoni (3,3·10²²) molekulu. Arī ar parasto optisko mikroskopu bieži vien nevar saskatīt molekulas. Atsevišķas molekulas un atomus vislabāk var saskatīt tikai ar speciālu elektronmikroskopu - tuneļmikroskopu vai jonu projektoru.

Jonu projektors sastāv no sfēriska trauka, kuras rādiuss ir aptuveni 0,1 m (10 cm), un volframa adatas, kuras smaile novietota trauka centrā (sk. zīmējumu). Smailes liekuma rādiuss izveidots tik mazs, cik vien tas ar modernām metāla apstrādes metodēm iespējams (apmēram 50 nm). Sfēras iekšējā virsma pārklāta ar plānu vadītāja slāni, kas, līdzīgi televizora kineskopa ekrānam, spīd ātru daļiņu triecienu iedarbībā. Starp pozitīvi lādēto smaili un negatīvi lādēto vadītāja slāni rada dažus simtus voltus lielu spriegumu. Trauku piepilda ar hēliju nelielā spiedienā 100 Pa.

Volframa atomi uz smailes virsmas veido mikroskopiskus izciļņus. Kad haotiskā kustībā esošie hēlija atomi tuvojas volframa atomiem, elektriskais lauks, kurš ir sevišķi spēcīgs smailes virsmas atomu tuvumā, atrauj no hēlija atomiem elektronus un pārvērš šos atomus par joniem. Hēlija joni atgrūžas no pozitīvi lādētās smailes un ar lielu ātrumu kustas pa sfēras rādiusu. Saduroties ar sfēras virsmu, joni izraisa tā spīdēšanu. Tādējādi uz ekrāna rodas smailes atsevišķo volframa atomu izvietojuma palielināta aina.

Volframa atomu izvietojuma palielināta aina

Projektora palielinājums ir vienāds ar sfēras rādiusa R attiecību pret smailes rādiusu r. Loka garums |ab| norāda attālumu starp blakus esošiem volframa atomiem, bet loka garums |AB| - attālumu starp to attēliem uz sfēras virsmas. Tā kā $|AB|=R\cdot \alpha \$, kur $\alpha \$ ir leņķis starp blakus esošo jonu trajektorijām, bet $|ab|=r\cdot \alpha \$, tad palielinājums

$\Gamma ={\frac {|AB|}{|ab|}}={\frac {R}{r}}=2\cdot 10^{6}\$,

tas ir, sasniedz divus miljonus.

Molekulu izmēri

Volframa atomi uz adatas smailes pieskaras cits pie cita. Tāpēc var pieņemt, ka atoma diametrs d ir vienāds ar attālumu starp blakus esošajiem volframa atomiem: $d=|ab|\$.

Izmērot loka garumu |AB|, iegūst apmēram 0,4 mm. Zinot jonu mikroskopa palielinājumu un izmantojot sakarību $\Gamma ={\frac {|AB|}{|ab|}}\$, iegūst aptuvenu volframa atoma diametru

$d=|ab|={\frac {|AB|}{\Gamma }}={\frac {0,4}{2\cdot 10^{6}}}\approx 2\cdot 10^{-7}mm\$

Atomu un molekulu izmēri, kuri noteikti pēc citām metodēm, ir aptuveni tādi paši.

Šie izmēri ir tik mazi, ka tos ir grūti iztēloties. Piemēram, skaitli $2,3\cdot 10^{-10}m\$, kas ir ūdeņraža molekulas izmērs, var aptvert ar šāda salīdzinājuma palīdzību — ja pildspalvu palielinātu tā, lai tā sniegtos no Zemes līdz Mēnesim, tad ūdeņraža molekula, tikpat reižu palielināta, būtu pildspalvas lielumā.

Molekulu skaits

Tā kā molekulu izmēri ir ļoti mazi, molekulu skaits jebkurā makroskopiskā ķermenī ir milzīgs. Aptuveni izrēķināsim molekulu skaitu ūdens pilienā, kura masa 1 g jeb 0,001 kg un tātad tilpums 1 cm³ jeb 0,000 001 m³. Ūdens molekulas diametrs ir $3\cdot 10^{-10}m\$. Pieņemot, ka ūdens molekulas blīvi novietojušās cita pie citas un katra molekula aizņem $(3\cdot 10^{-10})^{3}\$ tilpumu, var aprēķināt, molekulu skaitu pilienā, izdalot piliena tilpumu ar vienas molekulas tilpumu:

$N={\frac {1\cdot 10^{-6}}{(3\cdot 10^{-10})^{3}}}\approx 3,7\cdot 10^{22}\$.

Katrā ieelpā cilvēks ievelk plaušās tik daudz molekulu, ka tad, ja visas tās pēc izelpas vienmērīgi sadalītos Zemes atmosfērā, katrs planētas iedzīvotājs ieelpojot ievilktu apmēram divas tās molekulas, kuras bijušas jūsu plaušās.

Molekulu masa

Atsevišķu molekulu un atomu masas ir ļoti mazas. Piemēram, 1 g ūdens satur $3,7\cdot 10^{22}\$ molekulas. Tāpēc vienas ūdens molekulas masa $m_{oH_{2}O}\approx {\frac {1}{3,7\cdot 10^{22}}}g\approx 3\cdot 10^{-23}g\$.

Apmēram tādas pašas masas ir citu vielu molekulām, izņemot milzīgas organisko vielu molekulas, kuras satur tūkstošiem atomu.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Molekula.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)
• Encyclopædia Universalis raksts (franciski)
• Kāda ir molekulas forma? — Džordžs Zaidens un Čārlzs Mortons (latviski). TED-Ed (2013. gada 17. oktobris).