В XVI­II веке Антуан Лавуазье пропустил через воду электрический ток и обнаружил в ее составе два газа: водород и кислород.

Формула молекулы воды - H₂O - два атома водорода и один атом кислорода. Помимо того, что эти атомы связаны в одну молекулу, их электрические заряды способствуют тому, что молекулы воды могут соединяться друг с другом, образуя водородные связи . Именно маленький размер атома водорода позволяет сильнополярным молекулам, в которых он присутствует, сближаться достаточно тесно для образования этих связей. Они не так сильны, как связи атомов внутри молекулы (ковалентные связи), но именно из-за них молекулы воды притягиваются друг к другу сильнее, чем молекулы многих прочих веществ.

Из-за водородных связей у воды очень высокая удельная теплоемкость. Это означает, что нужно довольно много энергии, чтобы нагреть воду. Судя по расположению кислорода в таблице Менделеева и температурам кипения гидридов (соединений с водородом) аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), вода без водородных связей кипела бы при −80 °С, а замерзала при −100 °С.

Водородными связями объясняются капиллярные явления. Их можно наблюдать, например, когда краска поднимается между ворсинками кисточки. Молекулы воды притягивают друг друга настолько сильно, что преодолевают силу гравитации. Когда с листьев на деревьях испаряются молекулы воды, они по капиллярам внутри ствола подтягивают воду вверх от самых корней.

Водородные же связи обеспечивают воде высокое поверхностное натяжение. Благодаря ему вода может собираться в капли, её можно налить в чашку «с горкой», а некоторые насекомые могут ходить по ней, как по суше. Незадолго до рождения в легких человека вырабатывается так называемое поверхностно-активное вещество (ПАВ). Это сложная субстанция из 6 липидов и 4 протеинов. Она помогает новорожденным начать дышать. Сила поверхностного натяжения настолько велика, что недоношенным младенцам с дефицитом ПАВ просто не хватает сил, чтобы раздуть легкие. К счастью, в наши дни поверхностно-активные вещества доступны в виде лекарств.

Универсальный растворитель

Наличие водородных связей делает воду универсальным растворителем. Она растворяет соли, сахара, кислоты, щелочи и даже некоторые газы (например, диоксид углерода, который шипит в газировке). Подобные вещества называются гидрофильными (любящими воду), именно потому что они легко растворяются в воде.

И наоборот, жиры и масла являются гидрофобными. Это означает, что их молекулы не способны образовывать водородные связи. Поэтому вода отталкивает такие молекулы, предпочитая образовывать связи внутри себя. Чтобы отмыть руки от жира, мы используем мыло, в молекулах которого есть и гидрофобные и гидрофильные части. Гидрофобные цепляются к жиру, разбивая его на мелкие капельки. Гидрофильными же частями эта конструкция цепляется за поток воды и отправляется вместе с ним в канализацию.

Масло не растворяется в воде

Двух одинаковых снежинок не бывает

Во-первых, на то, в какую форму заморозятся молекулы воды, влияют малейшие изменения температуры и влажности. А во-вторых, одна среднестатистическая снежинка содержит 10 квинтиллионов (10 и еще 18 нулей) молекул воды. И это дает некоторый простор для творчества.

Вода - одна из немногих субстанций, которые расширяются, когда переходят в твёрдое состояние. Обычно, замерзая, вещества уплотняются и становятся тяжелее жидких форм. Но ведь кубики водяного льда плавают в верхних слоях наших напитков! И, что более ценно для живых организмов, лед в водоемах образуется тоже сверху, не позволяя промерзнуть остальной воде.

Выстраиваясь при замерзании в упорядоченную решетку, молекулы воды занимают больше пространства, чем им требовалось в жидком состоянии. В результате лед на 9% менее плотный, чем жидкая вода.

Японский макак в воде

Вода невероятно подвижна. Она постоянно перемещается по всей Земле в цикле испарения, конденсации и осадков. Ее подвижность касается и живых организмов, в которых ее водородные и кислородные составляющие непрерывно объединяются и перестраиваются в ходе биохимических процессов.

Мы не только потребляем воду, но и производим ее. Каждый раз, когда в организме расщепляется молекула глюкозы, образуется 6 молекул воды. Эта реакция происходит в теле обычного человека 6 септиллионов (6 с 24 нолями) раз в сутки. Тем не менее, мы не можем таким способом покрыть свои потребности в воде.

Сколько у нас есть?

Вообще, воды во вселенной довольно много, и это вполне закономерно. Три самых распространённых элемента во вселенной - водород, гелий и кислород. Но поскольку гелий, в силу своей инертности, в химические реакции не вступает, соединение водорода и кислорода (то есть вода) встречается нередко. При этом, из всей воды на Земле получился бы шар диаметром около 1400 км. Это почти в 10 раз меньше диаметра самой Земли. Из этого объема только 3% - пресная вода. То есть на каждый стакан морской воды приходится чуть больше чайной ложки пресной. При этом 85% пресной воды на планете заключены в ледниках и полярных льдах. Рост населения, загрязнение водоемов и ряд других факторов делают всё более реальными опасения, что уже в XXI веке пресная вода может повсеместно стать дефицитом и стоить больше, чем бензин.

К счастью, сегодня у нас еще есть возможность поднять стаканы с водой за самую крутую молекулу.

Мы привыкли к тому, что молекула – это нечто крохотное, незримое, существующее скорее в воображении бородатых химиков, нежели в реальности. Однако самая большая молекула в природе – ДНК – вытянется на длину спички, а это более 4 см! Читайте о гигантских молекулах и их исключительном влиянии на наследственность человека. Узнайте об их участии в расследовании преступлений, об искусственно созданных молекулах, и о том, от какого яда чуть не умер путешественник Кук.

1. ДНК – хранилище сведений об устройстве организма

ДНК принимает вид бесконечной винтовой лестницы с миллионами ступенек, в химической структуре которых хранится информация о каждом нашем свойства, будь то количество пальцев, дислокация печени или оттенок кожи. Когда рабочий белок-фермент движется по ступенькам, клетка штампует копию этой информации – своеобразный чертеж, согласно которому происходит любое действие в организме.

Каждая спираль может менять свою длину. Растянем хорошенько ДНК и поразимся ее габаритам:

• 10 млрд атомов содержит ДНК первой хромосомы человека;
• 46 шт. – так мало ДНК нужно, чтобы записать полное досье на его тело;
• 2 м – на такую длину растягиваются эти 46 молекул, сцепленные вместе;
• 30 раз по маршруту "Земля – Солнце" и обратно – такова длина ДНК из всех клеток одного человека;
• 700 терабайт сведений хранится в 1 г ДНК.

Зачем криминалисты берут ДНК на анализы

Злоумышленники аккуратно стирают отпечатки пальцев и пользуются перчатками, но никому еще не удавалось стереть свои генетические следы. Эксперту достаточно реснички, обрезка ногтя, капли слюны, оставленной на сигарете или жевательной резинке, чтобы установить виновника. Из взятого на месте преступления биоматериала выделяют ДНК, многократно копируют ее и в специальном геле под воздействием электрического поля "ранжируют" по длине и массе.

Затем молекулы красят и сравнивают образцы с хромосомами предполагаемых "хозяев". У каждого индивидуума на ДНК проявляется неповторимый полосатый узор, и если обнаруживаются совпадения, значит, владелец образца найден.

Впервые методом ДНК-дактилоскопии воспользовался английский генетик Алек Джеффрис. В 1985 году у него попросили помощи в идентификации серийного убийцы, с чем ученый блестяще справился. Метод также применяют для опознания останков жертв катастроф и террористических актов, для установления спорного отцовства.

2. Соединительный белок титин

Смысл существования ДНК заключается в том, что по ней клетки создают главные стройматериалы – белки. Белковые молекулы поскромнее своей матрицы, но и коротышками их не назовешь. Самый длинный белок обнаружен в камбаловидной мышце голени. Это титин, который состоит из 38 тысяч аминокислот и достигает 3 млн атомных единиц массы.

Более короткие разновидности титина обнаружены в остальных мускулах и даже в сердце. Задача этого белка – соединить воедино двигательные белки мышечной клетки, чтобы обеспечить их мощные сокращения.

Можно ли создать человеческими руками белковую молекулу

Да, можно. Первым искусственно получили крохотный по меркам органической химии белок инсулин, отвечающий за стабильность уровня сахара в крови. Однако ресурсы для этого затратили немалые:

• 10 лет ушло на расшифровку состава инсулина;
• 227 химических реакций потребовалось для сборки белка;
• 0,001 % – такое количество инсулина от запланированного количества получили в итоге.

А живая клетка поджелудочной железы тратит на синтез необходимого объема инсулина 10 секунд. Поэтому гораздо выгоднее оказалось генетически модифицировать кишечную палочку, чтобы бактерия взяла на себя труд по созданию медицинского белка.

3. Молекула-змея из картошки

Прозаический продукт, источающий дразнящие запахи на сковородке, прячет в клубнях одну из длиннейших молекул в мире. Картофельный крахмал по структуре похож на бусы без конца и края. Десятки тысяч бусин, роль которых выполняет глюкоза, выстраиваются в бесконечные цепи, обеспечивая растение запасом питания до весны.

Живые организмы склонны создавать длинные полимерные углеводы. Посчитаем их молекулярную массу:

• компонент крахмала амилопектин – до 6 млн атомных единиц;
• целлюлоза, за счет которой достигается твердость дерева – до 2 млн;
• хитин, образующий феноменально легкий панцирь краба и жука – 260 тыс.

Но даже им далеко до гликогена, 100 г которого способна накопить печень. Ветвистая, словно клубок водорослей, шарообразная молекула гликогена весит до 100 млн атомных единиц!

Крахмал на службе у человека

Раньше всего научились использовать крахмал в пищу. Для этого природа предоставила человеку сотни съедобных растений: пшеницу, кукурузу, рис, каштаны, фасоль, бананы. Правда, для лучшего усвоения крахмал подвергают тепловой обработке, при которой часть химических связей между бусинами-глюкозами разрывается, и молекулы укорачиваются.

Приятная глазу белизна и плотность постельного белья, кружев, сорочек и скатертей достигается за счет подкрахмаливания. Для такой процедуры крахмал разводят в холодной воде, ткань прополаскивают в ней, сушат, а потом отглаживают. На целлюлозно-бумажных комбинатах это вещество добавляют к бумажной массе для жесткости.

В советское время на основе крахмала варили обойный клей. В детских садиках с помощью крахмального клейстера учили малышей искусству аппликации и папье-маше.

4. Синтетические полимеры

Искусственный белок создать сложно, но если вещество обладает менее сложной структурой, то химическое предприятие справится с этой задачей. Производство полимеров, от довоенных целлулоида и плексигласа до современных термостойких пластмасс, обеспечивает человека тысячами предметов.

Молекулы полимеров достигают значительной величины:

• полиакриламид – до 850 тыс. атомных единиц;
• полипропилен – до 700 тыс.;
• нейлон – до 80 тыс.

Как полимеры людям жить помогают

Небольшая перестройка структуры полимера влечет за собой кардинальное изменение его свойств. Из полимерных веществ получают пластмассы, резину, клеи, лаки, ткани. В конце прошлого века химические технологии добрались до зубных кабинетов. Теперь новые материалы превращаются в пломбы, штифты, вкладки, протезы и специальную массу для оттиска челюсти.

Последний десяток лет ознаменовался практическим применением трехмерной печати, с помощью которой изготавливают не только элементы конструктора лего, но и детали космических аппаратов. Фотополимеры, предназначенные для этой цели, дают точность до 16 микрон.

5. Ботулотоксин, притаившийся во вздутой банке

Масса молекулы этого ядовитого белка – 150 тыс. атомных единиц. Вырабатывают его бактерии клостридии, характерная особенность которых – непереносимость кислорода. Они охотно размножаются в консервах, особенно грибных, толстых залежавшихся колбасах. Угостившись пищей, которую облюбовали клостридии, человек погибает от паралича дыхательных мышц.

Ботулотоксин быстро попадает в организм не только через слизистую кишечника, но и через поверхность глаз и кожи. Во время Второй мировой американские военные всерьез рассматривали его как биологическое оружие.

6. Небелковый нейротоксин

В 1774 году капитан британских королевских военно-морских сил Джеймс Кук отравился печенью морской рыбы, которую в тот день готовили на ужин. Судовой хирург спас его рвотными средствами, но только спустя 100 лет обнаружили причину внезапного паралича капитана. Выяснилось, что рыба питалась моллюском сигуатерой, а тот – водорослями-динофлагеллятами, которые вырабатывают майтотоксин.

Молекулярная масса майтотоксина составляет 3700 атомных единиц, и это крупнейшая молекула небелковой природы, которую вырабатывает живой организм. В 1993 году химики Токийского университета исследовали ее структуру с помощью технологии ядерного магнитного резонанса. Оказалось, что молекула выглядит, как цепочка из 32 шестиугольных колечек, изогнутая наподобие поднявшей голову гусеницы.

Загадочный мир гигантских молекул не раскрыт до конца. Ученые найдут их новые свойства, видоизменят структуру и непременно поставят на службу человеку.

Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

4. Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.

Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.

Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.

«Химические элементы» - Неметаллы способны как принимать так и отдавать электроны. Подгруппа скандия Sc, Y, La, Ac. Подгруппа углерода. Периодический закон. Винтовая линия Шанкартуа. Общая формула оксидов Э2О7. Простейшее водородное соединение ВН3-бороводород. Подгруппа галогенов (фтора). Водородные соединения МеН-гидриды.

«Теория по молекулярной физике» - Объединённый газовый закон (Закон Клапейрона). Подводимое тепло идёт на нагревание газа. Распределение Максвелла. Барометрическая формула. Материальная точка задаётся 3-мя координатами. Температура. Формула определяет энтропию. Первое начало термодинамики. Термодинамика. Работа А не определяется знанием начального и конечного состояния.

«Масса и размеры молекул» - Размер молекулы. Молекула. Число молекул. Постоянная Авогадро. Массы молекул. Синквейн. Количество вещества. Масса и размеры молекул. Решить задачи. Объём слоя масла. Самая маленькая молекула. Найти формулы. Фотографии молекул. Учитель.

«Законы молекулярной физики» - Основные положения МКТ. Газы. Молекула ДНК. Доказательства основных положений МКТ. Молекулярная физика. Три состояния вещества. Масса и размеры молекул. Степень нагретости тела. Абсолютная температура. Тепловые явления. Давление газа. Твердые тела. Молекулярное взаимодействие. Масса одного моля вещества.

«Раздел молекулярная физика» - ОПЫТНЫЕ ОБОСНОВАНИЯ: 1. Диффузия. 2. Испарение. 3. Давление газа. 4. Броуновское движение. Пар конденсируется. В жидкости имеются частицы, способные преодолеть силу притяжения соседних частиц. В твердых телах Проходит очень долго (годы). При охлаждении пара, энергия частиц уменьшается, взаимодействие частиц увеличивается.

«Молекулярные основы» - Изотермический процесс. Влажность. Масса газа остается неизменной. Молекулярно-кинетическая теория. Свойства. Точка росы – это температура. Аморфные тела. Частицы расположены вплотную друг к другу. Если процесс не изобарный, используется графический метод. Плавление. Среднее значение квадрата скорости молекул.

Всего в теме 21 презентация

Почему ароматические соединения назвали ароматическими — большая загадка. Не все представители того класса веществ, который попадает под современное определение этого термина, имеет запах, и наоборот: не все, что пахнет, ароматическое.

Критериев ароматичности существует несколько, но вкратце можно описать все ароматичные вещества как состоящие из молекул, в которых атомы выстраиваются в кольцо, а электроны, которые участвуют в образовании химических связей, обобществляются. Другими словами, если в формуле вещества есть кольцо, то соединение, скорее всего, ароматическое. Есть легенда о том, что кольцевая структура открылась академику Кекуле во сне про обезьянок, которые водят хоровод, держа друг друга за хвосты.

Самое простое ароматическое вещество — бензол

Обобществление электронов придает ароматическим соединениям особые физические и химические свойства — например, выдающуюся устойчивость. Чтобы соединение стало ароматическим, число электронов, участвующих в образовании связей, должно соответствовать правилу Хюккеля, то есть равняться (4n+2), где n — целое число. Редкие исключения из этого правила объясняются ароматичностью Мебиуса.

Хюккелевские ароматические молекулы могут иметь в кольце 6, 10, 14, 18, 22 и более атомов. Однако синтез больших колец с количеством атомов более 22 — дело довольно тонкое; в больших кольцах ароматичность теряется. Фиксировать их можно, если вместо отдельных атомов использовать сложные молекулярные фрагменты с жесткой геометрией. До сих пор самой большой ароматической молекулой, которую удалось синтезировать, был додекафирин — циклическая молекула, состоящая из двенадцати пятиугольных пиррольных фрагментов, соединенных по мотиву порфирина (цикл из четырех пирролов, соединенных через мостики-атомы углерода, входит в состав гема, хлорофилла, феофитина).

Martin D. Peeks et al. / Nature, 2016

В этот раз химики пошли на рекорд и «собрали» из порфириновых структур самую большую ароматическую молекулу в истории. Ее структурная формула напоминает колесо автомобиля с «покрышкой» из замкнутых в кольцо порфиринов, изнутри укрепленной плоским каркасом.

Молекула содержит 78 сопряженных электронов. Это абсолютный рекорд. Ее огромные для микромира размеры позволили ученым сравнить магнитные свойства ароматического соединения с магнитными свойствами в наноколечках из металлов и полупроводниковых материалов. Раньше это было сделать очень сложно, поскольку размеры наноколец на порядок превышали размеры самых крупных наночастиц металлов. Исследование опубликовано в журнале