2.6. Молекулярна будова речовини

Кристал міді (який було розглянуто як приклад речовини певного виду) побудований з упорядковано розташованих атомів. Тепер перейдімо до обговорення кристалів, що містять окремі групи атомів (відокремлені групи), які називаються молекулами. Такі кристали мають назву молекулярних кристалів.

Приклад молекулярного кристала наведено у верхній лівій частині рис. 2.11; на рисунку схематично показано будову кристала чорнувато-сірої твердої речовини — йоду. Добре видно, що атоми Йоду згруповані попарно й утворюють двоатомні молекули. У цьому й наступних підрозділах йод буде використано як приклад, оскільки його молекули прості (містять лише два атоми), а також тому, що він ретельно вивчений ученими.

Відстань між двома атомами Йоду в молекулі цього молекулярного кристала менша, ніж відстань між атомами Йоду, що входять до складу різних молекул. Два атоми Йоду, які утворюють молекулу, перебувають на відстані лише 270 пм, тоді як мінімальна відстань між атомами Йоду, що належать різним молекулам, становить 354 пм.

Сили, що діють між атомами в молекулі, дуже великі, а сили взаємодії між окремими молекулами слабкі. Внаслідок цього змінити форму молекули важко, тоді як повернути молекулу відносно іншої порівняно легко. Так, під тиском кристал йоду зменшується: молекули можна зблизити, при цьому міжмолекулярні відстані зменшуються на кілька відсотків; проте самі молекули зберігають свої первісні розміри і ніяких помітних змін міжатомних відстаней у молекулі не спостерігається. Якщо кристал йоду, що перебуває за низької температури, нагріти, то він розшириться, і, таким чином, кожна молекула займатиме більше місця в кристалі; але при цьому відстань між двома атомами Йоду в одній молекулі залишиться дуже близькою до нормального значення 270 пм.

Молекули різних хімічних речовин містять різне число атомів, тісно зв'язаних між собою. Приклад складнішої молекули, ніж молекула йоду, наведено на рис. 2.12, де показано частину кристала нафталіну. Молекула нафталіну складається з десяти атомів Карбону, що утворюють два шестичленні кільця з одним спільним ребром, і з восьми атомів Гідрогену. Нафталін — доволі летка речовина з характерним запахом. У вигляді кульок і таблеток його використовують як репелент — засіб проти молі. Властивості нафталіну зумовлені будовою його молекул.

Не так давно з'явилася можливість бачити й фотографувати молекули. Вони занадто малі, щоб їх можна було побачити під мікроскопом при освітленні звичайним світлом, яке не дає змоги розрізняти об'єкти діаметром менше за довжину хвилі світла, що приблизно дорівнює 500 нм*.

Рис. 2.11. Кристалічний, рідкий і газоподібний йод; показано двоатомні молекули I₂.

Було сконструйовано електронний мікроскоп, який дає змогу бачити об'єкти, у тисячу разів менші в діаметрі. У ньому використовується пучок електронів замість променя світла; досягається лінійне збільшення приблизно 1000 000, тоді як звичайний мікроскоп збільшує в 1000 разів. Таким чином, електронний мікроскоп дає змогу бачити об'єкти діаметром до 500 пм. 

Рис. 2.12. Схематичне зображення ділянки кристала нафталіну; показано молекули C₁₀H₈.

Рис. 2.13. Електронна мікрофотографія кристалів білка одного з вірусів некрозу рослин; на знімку видно впорядковане розташування окремих молекул. Лінійне збільшення:×65 000. [From R. W. G. Wyckoff].

Рис. 2.14. Електронна мікрофотографія одного шару молекул вірусу кущистої карликовості томатів. Цей знімок зроблено з додатковою контрастністю, одержаною завдяки накладанню на зразок під невеликим кутом дуже тонкого шару золота, внаслідок чого створюється враження тіней від молекул. Лінійне збільшення:×55 000. [From Price, Williams and Wyckoff, Arch. Biochem., 7, 175 (1946)].

На рис. 2.13 і 2.14 відтворено два знімки, одержані за допомогою електронного мікроскопа. На них показано молекули вірусу, що викликає захворювання томатних рослин. Діаметр кожної такої молекули вірусу «кущистої карликовості» дорівнює приблизно 23 нм. Молекула цього вірусу складається приблизно з 750000 атомів. Молекули вірусу «некрозу» (відмирання тканин) трохи менші — їхній діаметр сягає приблизно 19,5 нм. На обох фотографіях чітко видно окремі молекули. 

* Нанометр (нм) дорівнює 10^-9 м.