Почему молекулы есть не в каждом веществе?

Пожалуй одно из самых распространённых заблуждений, которые я встречал, работая над своим научно-популярным каналом — это путаница в голове между атомами и молекулами. Очень многие полагают, что абсолютно все тела состоят из молекул. При этом все слышали про сложный состав материала и знают что-то про устройство самой молекулы, которая состоит из атомов. Но в голове проложена чёткая аналогия — любой материал обязательно состоит из молекул, а атомы являются основой самой молекулы. Вот только это излишнее упрощение и всё не совсем так.

Немолекулярные материалы

Между тем, существуют материалы, в которых нет молекул. Они состоят из атомов, которые непосредственно соединены друг с другом и это вещества немолекулярного строения. Также они часто именуются кристаллическими, но это не всегда правильно. Примером таких материалов могут служить многие металлы, окись кремния, углерод и прочие. Атомы в их структуре «цепляются» друг за друга без формирования промежуточного молекулярного строения.

Вот только… почему одни вещества имеют молекулярное строение, а другие — нет?

Всё дело в выгоде… Энергетической

Как бы это жутко не звучало, всё дело в выгоде. Энергетической выгоде. Но чтобы окончательно разобраться в проблеме, нам нужно сформулировать определение молекулы, разобраться с поведением атомов и добиться понимания появления химической связи в природе.

Атомы в строении материала и их объединение

Итак, мы можем смело сказать, что все тела состоят из атомов. 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. Атомы имеют свойства притягиваться и отталкиваться.

Притяжение между атомами описывается несколькими силами. Среди них самая значимая — электростатическое кулоновское притяжение.

Согласно стандартной модели атом имеет ядро, заряженное положительно и окружен электронами, имеющими отрицательный заряд. Когда электроны вокруг ядра «входят в зацепление» с ядром соседнего атома, противоположности начинают притягиваться. Участвует и вездесущее гравитационное притяжение, хотя значения незначительные. Есть и более экстравагантные силы, типа сил Ван-дер-Ваальса или дисперсионных сил, но их трогать не будем.

Помимо притяжение между атомами есть и отталкивание. Удивительно, но оно описывается теми же самыми силами, только там, где противоположности притягивались, заряды одного знака теперь отталкиваются. Ядро атома окружено электронами, а у двух атомов есть электронная оболочка и это заряды одного знака. Одноименные заряды отталкиваются. Тут есть множество разных интересных, но 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. Советую просто изучить этот вопрос на досуге более детально.

В итоге мы наблюдаем простую и очевидную картину. Когда несколько атомов оказываются рядом, то они начинают притягиваться друг к другу. Ядро тянет к себе чужие электроны. При сближении на достаточное расстояние, электроны начинают отталкивать друг друга из-за одноименного заряда и получается, что несколько атомов повисают в равновесии — ближе притянуться они уже не могут, а сила взаимодействия удерживает их рядом.

Вновь вспоминаем наш конструктор из магнитных шариков и видим, что там по сути получается модель атомов, объединившихся друг с другом.

Почему иногда так, а иногда иначе?

Мы описали стремление атомов присоединяться друг к другу. Вот только соединяются они не всегда одинаково. Атомы могут объединяться в группы самыми разными образами. Это описывается типами химической связи между частицами. 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 взаимодействия. Типов химической связи есть много, но нам тут опять важно не это. Выбор 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 кусочков, а не шариков по той причине, что шарики, вероятнее всего, образуют правильную равномерную структуру. Обломки магнита слипнутся друг с другом стихийно и «неправильно». Похожие друг на друга осколки слипнутся схожим образом, тогда как иные формы прилипнут к системе как-то по-другому. 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) осколка определенной формы.

Объясняется это энергетической выгодой и наличием энергии у системы. По сути именно это определяет и тип связи, и специфику последующих процессов, и всю судьбу 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 осколки вперемешку с шариками сначала формируют какие-то агрегаты из одного шарика и нескольких осколков, а только потом продолжают формировать общую структуру материала. При этом в структуре материала будет легко прослеживаться существование таких «промежуточных» групп из осколков и шарика. Это молекулярные материалы. Тут можно вспомнить серу или воду в качестве примеров.

Что такое молекула и как она собирается из атомов?

Теперь вспомним, что такое молекула. Так называется система, образованная из двух или более связанных химическими атомов. Видите параллели со всеми нашими наработками? Ничего не напоминает? Молекула — это тот самый промежуточный элемент структуры из шарика и осколков.

Иногда системе энергетически выгодно, чтобы атомы соединялись непосредственно друг с другом, как это будет с шариками, а иногда выгоднее образовать промежуточные группы. Факторов в этом участвует настолько много, что перечислять из в контексте этой статьи не имеет 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.

Давным-давно Пьер Гассенди выдвинул идею, что атомы, взаимодействуя друг с другом, не объединяются непосредственно в материал, а сначала формируют сложные образования — молекулы. Дальше материал формируется 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 и для всего материала. Оказалось, что идея была правильной. Разве что, молекулы есть не у всех материалов.

Эти идеи стали фундаментом для дальнейших исследований и помогли сформировать современное понимание молекулярной структуры материалов. Некоторые время подход считался спорным, но Эйнштейн (опять он, всё верно) прорабатывал идею броуновского движения и описания его модели, что впоследствии подтвердило и окончательно доказало существование молекулярных материалов.

Вместо заключения

Из статьи вы должны в итоге уяснить, что существуют молекулярные и немолекулярные материалы и в некоторых случаях (когда это выгодно энергетически) атомы сначала образуют сложные системы, именуемые молекулами, а в некоторых — объединяются непосредственно.