Химическая связь

В предыдущей главе мы рассмотрели строение атомов и показали, что волновая природа электронов наделяет атомы их типичными свойствами. Мы смотрели на каждый атом как на отдельную единицу, но не изучали вопроса о том, что происходит при сближении двух атомов. Однако мы знаем, что наименьшими единицами многих веществ служат не атомы, а молекулы, т. е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Если мы хотим понять строение материи, то нам надо узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы. Мы должны понять природу того, что называется химической связью, которая держит вместе атомы в молекуле, и познакомиться с некоторыми типичными молекулами и их свойствами.

До создания квантовой механики ученые полагали, что существует особая «химическая сила», ответственная за химическую связь. Эта сила должна была обладать совершенно особыми свойствами, так как некоторые атомы соединяются друг с другом очень хорошо, а другие совсем не соединяются. Например, если два атома водорода и один атом кислорода соединились, образовав одно целое, молекулу воды, то к ней уже нельзя присоединить добавочный атом. Молекула насыщена; химические силы как бы исчезли и не могут больше действовать на другие атомы.

Квантовая механика дала полное объяснение химическим явлениям. Здесь не действует никакая новая сила. Химическая связь между атомами возникает в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов. Химическая связь возникает тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни или куски разрезанной картины в головоломке. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, и в результате появляются новые конфигурации.

Одни атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу, другие — не так хорошо. Химическая связь очень сильно зависит от рода соединяющихся атомов. Иногда атомы подходят друг к другу так хорошо, что при их сближении возникает одна крупная округлая единица, напоминающая первую картину на рис. 28, но только несколько большая и более компактная.

Рис. 28. Два атома водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией (см. фото V), образует молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую. Точки в центре — ядра водорода.

В этих случаях образуется насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Насыщенная молекула напоминает сложенную из кусков картину-головоломку, все части которой находятся на своих местах и где нет места еще каким-то кусочкам.

Так как это происходит от соединения и смешивания электронных волновых картин, химическая связь в своей основе имеет электрическую природу. Ее прочность обусловлена квантовой устойчивостью совокупной электронно-волновой картины образовавшейся молекулы. Рассмотрение различных конфигураций, показанных на фото V, позволяет легко понять, что существуют многочисленные способы соединения и переплетения электронных конфигураций. Вследствие этого мы ожидаем, что есть множество химических соединений разных типов.

 

Молекулы

Рассмотрим несколько специальных примеров. Среди многих способов, которыми соединяются атомы друг с другом, можно выделить связи двух важнейших типов. Один из них — связь типа «электронные близнецы», другой — типа «затычка и дыра». Характерный пример связи первого типа — связь в самой простой молекуле — молекуле водорода Н2, состоящей всего из двух атомов водорода. Здесь две электронные картины, по одной от каждого атома, сливаются в одну новую картину, в результате чего сами атомы соединяются (см. рис. 28). Это слияние как будто противоречит принципу Паули, согласно которому каждую данную конфигурацию может принять только один электрон. На самом же деле противоречия нет; электрон обладает еще одним интересным свойством, о котором мы упомянем здесь только мимоходом: он вращается вокруг собственной оси. Это вращение называется электронным спином. Далее, здесь возможны только два вида вращения — вправо и влево вокруг данной оси. Поэтому каждую электронную картину надо считать дважды, потому что ее может принимать электрон, вращающийся как в одну, так и в другую сторону. Следовательно, два электрона могут принимать одну и ту же конфигурацию, только если они вращаются в противоположных направлениях. Вот почему электронный спин совместно с принципом Паули играет столь важную роль: две и только две электронные конфигурации могут слиться в одну общую. Молекула водорода может состоять только из двух атомов, но не из трех. Химическая связь становится насыщенной при наличии двух электронов на одной орбите.

Характерным примером связи типа «затычка и дыра» служит связь в молекуле воды Н2O, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода имеет 8 электронов. Но оказывается, что 10 электронов, обращающихся вокруг ядра, образуют очень компактную и округлую совокупность. Элемент неон, имеющий 10 электронов, химически очень неактивен и не образует никаких молекул, но в атоме кислорода до этой компактной конфигурации не хватает двух электронов. Поэтому ансамбль из 8 электронов можно описать как компактную округлую конфигурацию с двумя дырками в ней. Форма дырки определена, она отвечает конфигурации недостающего электрона. В случае кислорода дырки простираются от поверхности конфигурации до ее центра и расположены под прямым углом одна к другой (рис. 29, а).

Рис. 29. Атом кислорода (а) и молекула воды (б). электронная конфигурация кислорода имеет две дырки, простирающиеся от ее поверхности до ядра и расположенные под прямым углом. В молекуле воды дырки в кислородном атоме «затыкаются» электронами водорода. Ядра водорода заключены внутри электронных конфигураций водорода (маленькие черные кружки — ядра водорода, большой черный кружок — ядро кислорода).

Теперь мы можем понять строение молекулы воды. Электроны водородных атомов попадают в эти две дырки, атомы водорода служат затычками. Поэтому линии, соединяющие центр атома кислорода с водородными атомами, должны были бы составлять угол 90°. Положительные заряды протонов водородных атомов слегка отталкивают друг друга, что увеличивает этот угол до 108° (рис. 29, б). Это типичная связь типа «затычка и дыра».

Другим интересным примером атома, образующего молекулы, служит атом азота. Он имеет 7 электронов, из которых 4 составляют компактную сферическую конфигурацию вокруг ядра; остальные 3 электрона образуют конфигурации с тремя выступами в трех взаимно перпендикулярных направлениях, например: вверх, вперед и вбок (рис. 30, а).

Рис. 30. Атом азота (а) и молекула аммиака (б). В атоме азота мы имеем три электронных выступа, направленных вдоль стрелок под прямыми углами друг к другу. В молекуле аммиака каждый электронный выступ азота сливается с электроном водорода и образует связь типа «электронные близнецы». Густо заштрихованный треугольник — ядро азота; маленькие черные кружки — ядра водорода.

Эта картина позволяет легко понять строение важной молекулы аммиака NH3, в которой три водородных атома дают три связи типа «электронных близнецов», по одной с каждым выступом. Электроны водородных атомов сливаются с электронами выступов, и получается структура, изображенная на рис. 30, б, где ядра водорода сидят на кончиках выступов азота.

Атом углерода особенно приспособлен к образованию молекул. Он имеет шесть электронов, расположенных следующим образом: два электрона находятся близко от ядра и образуют маленькую округлую конфигурацию, остальные четыре могут располагаться симметричным образом, причем каждый дает радиальный выступ, направленный от центра; концы этих выступов расположены по углам правильного тетраэдра (рис. 31, а).

Рис. 31. Атом углерода с четырьмя электронными выступами, направленными по углам правильного тетраэдра (а), молекула метана СН 4 (б) и ее схематическое представление (в). Каждый электронный выступ углеродного атома сливается с электроном водорода и образует связь типа «электронные близнецы». Темный квадрат — ядро углерода, маленькие кружки — ядра водорода. Направления связей «близнецы» показаны на (в) отрезками прямых.

Полученная картина позволяет нам понять расположение атомов в молекуле метана СН4, состоящей из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Метан является главной составляющей светильного газа. Электроны водородных атомов сливаются с четырьмя выступами в связи типа «близнецы», образуя структуру с ядром углерода в центре и четырьмя протонами по углам тетраэдра (рис. 31, б).

Другая важная молекула, в которую входит углерод, — это двуокись углерода, состоящая из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Здесь все четыре выступа слегка изогнуты; два входят в качестве «затычек» в один атом кислорода, остальные два — в другой. В результате получается вытянутая структура из одного углеродного атома и двух кислородных по бокам (рис. 32).

Рис. 32. Молекула двуокиси углерода СO 2 . Четыре выступа углерода «затыкают» дырки в кислородных атомах. На схеме связи типа «дыра и затычка» показаны волнистыми линиями.

Углеродный атом со своими четырьмя выступами может давать нескончаемый ряд молекул. Это объясняет, почему на Земле так широко распространены соединения углерода и почему они играют столь важную роль в живой материи. Рассмотрим некоторые соединения углерода. Простейшее из них — метан (рис. 33) с одним водородом на каждом выступе.

Рис. 33. Схематические изображения молекул углеводородов. Квадратики — атомы углерода, маленькие кружки— атомы водорода, прямые соединительные линии — связи типа «электронные близнецы».

Можно построить и молекулу из двух атомов углерода и шести атомов водорода. Здесь все связи типа «близнецы». Эта молекула называется этаном. Тот же принцип построения можно продолжить (см. рис. 33), и мы получим ряд молекул, называемых углеводородами: пропан с тремя атомами углерода, бутан с четырьмя и т. д. Эта структура, подобная цепи, может иметь любую длину. Короткие молекулы — это газы, более длинные — жидкости и очень длинные — твердые тела. Они служат горючим в виде газа, нефти или парафина, и мы увидим далее, почему они здесь хороши. Углеводородные цепи очень важны и для нашего питания, если они оканчиваются характерной группировкой атомов, называемой карбоксильной группой (рис. 34).

Рис. 34. Схематическое изображение молекул жирных кислот. Длинный углеводород с карбоксильной группой на правом конце. Карбоксильная группа, СООН, состоит из одного атома углерода, двух атомов кислорода и одного атома водорода, соединенных связями типа «дыра и затычка». Квадратики — атомы углерода, большие кружки — атомы кислорода, маленькие кружки — атомы водорода. Прямые линии — связи типа «электронные близнецы», волнистые — типа «дыра и затычка».

Эти цепи называются жирными кислотами, входящими в состав животного жира.

Другие характерные углеродные структуры — это молекулы спиртов, показанные на рис. 35.

Рис. 35. Молекула спирта C 2 H 5 OH. Квадратики — атомы углерода, большие кружки — атомы кислорода, маленькие кружки — атомы водорода; прямые линии — связи типа «электронные близнецы», волнистые — типа «дыра и затычка».

Здесь связи с кислородом образованы по типу «дыры и затычки».

Еще одна важная группа молекул с длинными цепями — это углеводы. Их цепи подобны углеводородным, но к каждому звену цепи присоединен кислород. Он, как всегда, соединяется по типу «дыры и затычки». Простейший углевод — глюкоза, один из видов сахара (рис. 36).

Рис. 36. Сахар. Молекула глюкозы С 6 Н 12 О 6 .

Целлюлоза — также углевод, но с очень длинной цепью. Она встречается в больших количествах в древесине и в других растительных структурах.

Теперь мы переходим к рассмотрению наиболее важной группы молекул — аминокислот, служащих кирпичиками, из которых построена почти вся живая материя. На рис. 37 показан общий принцип построения таких структур.

Рис. 37. Аминокислоты. Аминокислоты имеют с одного конца карбоксильную группу, а с другого — аминогруппу NH 2 . Символом R обозначены химические соединения различного типа.

В скелет этих молекул опять-таки входит углерод с его четырьмя электронными выступами. Наиболее характерны, однако, две их конечные группы. На одном конце молекулы (на рис. 37 справа) находится карбоксильная группа, на другом — аминогруппа NH2. Между двумя конечными группами находится множество других; для каждой аминокислоты характерна ее средняя часть. На рис. 37 показаны две простейшие аминокислоты: глицин и аланин — и общее строение более сложных аминокислот. Две концевые группы аминокислот обладают весьма характерным свойством. Они легко могут соединяться. Аминогруппа и карбоксильная группа связываются друг с другом (так называемая «пептидная связь»), так что аминокислоты легко образуют длинные цепи: одна аминокислота как бы зацепляется за другую. Такие цепи называются белками; как мы узнаем из гл. VIII, они играют важную роль в жизни живых организмов.

 

Химическая энергия, химическое горение

До сих пор мы давали общее описание некоторых наиболее распространенных молекул. Условия нашей среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разлагаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например, если бы она достигала температуры поверхности Солнца, то молекулы никогда не образовывались бы из-за слишком сильного теплового возбуждения: атомы не могли бы оставаться друг возле друга. Если бы ее температура была гораздо ниже, молекулы соединились бы, образуя твердые тела и кристаллы, и никакие изменения не происходили бы. Температура на Земле такова, что имеется иногда достаточно энергии для разрушения некоторых молекул, однако количество этой энергии не слишком велико, и поэтому большинство соединений может существовать в течение некоторого времени. Создание и разрушение молекул характеризует окружающую нас среду, сообщая ей постоянные изменения, которые мы видим, и создавая тем самым возможность жизни.

Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии. Этот процесс особенно ясно виден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул, в результате чего выделяется тепловая энергия. Мы должны теперь выяснить более точно, как и почему освобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Химическая связь представляет энергию в таком смысле: для разрыва связи требуется некоторое количество энергии, следовательно, то же ее количество высвобождается при образовании связи. В качестве простейшего примера связи, отличной от химической, рассмотрим магнит, удерживающий кусок железа силой магнитного притяжения (рис. 38).

Рис. 38. Когда железка ударяется о магнит, энергия магнитного притяжения превращается в тепло и звук.

Чтобы удалить железо от магнита, требуется некоторая энергия. Когда железо возвращается к магниту, то же количество энергии выигрывается. Это количество энергии создается притяжением к магниту. При удалении железа от магнита энергию поставляют наши мышцы. Где появляется энергия, производимая при возвращении железа к магниту? Часть ее выделяется в виде звука, когда железо ударяется о магнит, часть — в виде тепла, так как при ударе железа о магнит оно нагревается. Эту энергию можно использовать и для выполнения механической работы: если мы прикрепим к железу веревку, перекинутую через блок, а на другой ее конец подвесим грузик, то увидим, что притяжение к магниту будет совершать работу (рис. 39).

Рис. 39. При таком расположении магнита и пластинки энергия притяжения используется для подъема груза.

Аналогичный обмен энергией происходит и в случае химической связи. Нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Полученная энергия принимает различные формы. Например, она может проявиться в виде колебаний. Когда атомы соединяются, получившаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Может получиться и энергия поступательного движения: когда атомы сталкиваются и сливаются, их энергия передается соседним молекулам, скорость которых увеличивается. Вообще, когда бы атомы ни образовали молекулу, энергия освобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплу.

Есть некоторые особые случаи, когда энергия связи не превращается в тепло. Это аналогично тому, что притягиваемый к магниту кусок железа производит полезную работу. Некоторые химические реакции присоединения могут происходить таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода и переводит их в состояние с большим содержанием энергии. Тогда энергия образования молекулы запасается в другой молекуле вместо того, чтобы растрачиваться в виде тепла. Этот случай важен для поддержания жизни.

Одни химические связи прочны, другие — слабы, рыхлы. Когда образуются прочные связи, освобождается больше энергии. В общем случае связи типа «затычка и дыра» прочнее связей типа «электронные близнецы». Атом водорода труднее оторвать от молекулы воды, чем от молекулы метана.

Рассмотрим более подробно хорошо известный химический процесс, процесс горения угля. Что при этом происходит? Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ — двуокись углерода. Кусок угля — это совокупность атомов углерода, расположенных в правильном порядке, кристалл углерода. Кислород воздуха состоит не из отдельных атомов, он существует в виде молекул кислорода, состоящих из двух атомов со связью типа «электронные близнецы». Поэтому химическая реакция горения угля имеет вид C + O = CO2.

Эта реакция должна происходить в два этапа: сначала разрывается связь в молекуле O2, а затем два атома кислорода присоединяются к углероду. Первый этап требует затраты энергии. Он не может происходить при тех энергиях, которые имеются при обычной температуре. В конце концов, уголь может соприкасаться с воздухом без горения. При обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома. Но если мы подведем тепло извне от зажженной спички или горящей щепки, то реакция начнется. Надо подвести тепло только для возникновения реакции, так как на втором ее этапе, при образовании СO2, выделяется больше энергии, чем требуется для расщепления O2 (рис. 40).

Рис. 40.

Первая связь принадлежит к типу «затычка и дыра», вторая — к типу — «электронные близнецы». Поэтому энергия, необходимая для дальнейшего расщепления O2, поставляется самим процессом горения. Таким образом, при горении угля энергия выделяется в виде тепла, хотя часть энергии, освобождаемой на втором этапе, идет на инициирование дальнейших реакций. Полезное тепло равно избытку энергии, выделяющейся во второй стадии, над энергией, потребной для первой.

Раз начавшись, образование двуокиси углерода продолжается до тех пор, пока не израсходуется весь углерод. Выделяется большое количество тепла; чистый выигрыш энергии составляет 0,67 эв на каждую молекулу образовавшейся двуокиси углерода. Нагревание столь сильно, что атомы и молекулы начинают испускать свет. Пламя, которое мы видим при горении угля, состоит из молекул СO2 и атомов углерода, выброшенных в результате сильного нагрева и испускающих характеристическое излучение. Поэтому пламя не вид вещества, как некогда полагали; это накаленная материя, полученная в химической реакции, в которой выделяется очень много энергии.

Горение угля — это простейшая форма выделения химической энергии. Аналогичный процесс происходит и при горении метана или других углеводородов. И здесь требуется начальное тепло, чтобы расщепить не только молекулы O2, но и молекулы угле водорода. После этого углерод соединяется с кислородом и дает двуокись углерода, а водород соединяется с кислородом и дает воду. Химическая реакция горения метана показана на рис. 41.

Рис. 41.

Так как в СН4 и O2 связи принадлежат к типу «электронных близнецов», а в СO2, Н2O — к типу «затычка и дыра», чистый выигрыш энергии в этой реакции очень велик. Поэтому метан и другие углеводороды дают сильное пламя и много тепла. Однако в отличие от горения угля, получается не только СO2, но и вода. В пламени содержится вместе с раскаленным СO2 водяной пар. Если подержать холодный кусок стекла в пламени свечи или горящего дерева, то мы увидим на стекле конденсированный водяной пар, которого не получится в пламени чистого угля.

Таким же образом любая молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода, может гореть, т. е. превращаться в углекислый газ и водяной пар, соединяясь с кислородом воздуха. Такие молекулы, как молекулы спирта или сахара, нуждаются в меньшем количестве кислорода для горения, так как в них самих содержится известное количество кислорода.

Рис. 42. Горение углерода. Слева мы видим один атом углерода (квадратик), одну молекулу кислорода (два кружка, соединенные связью типа «электронные близнецы») и три другие молекулы, символизированные крестиками. В середине тепловое движение молекулы «крестика» разорвало связь в молекуле кислорода. Справа углерод и два кислородных атома соединились в молекулу СО 2 . Освободившаяся при этом энергия частично переходит в тепловую энергию молекул «крестиков», частично в энергию колебаний молекулы СО 2 , что показано «ореолом».

Химические реакции, производящие энергию, всегда должны начинаться с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями. Разница в энергиях сильной и слабой связи высвобождается. СO2 и вода — это молекулы, с прочными связями; то же относится и к большинству молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Однако молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны собираться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо сложного процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.

 

Агрегатные состояния

Химическая связь держит атомы связанными в молекулы. Существуют ли силы между молекулами? Да, они существуют на самом деле, но они слабее химической связи. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации в каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы). Его сила зависит от типа движения электрона: одни молекулы притягиваются сильно, другие — очень слабо. Эта межмолекулярная сила другим характерным образом проявляет особые свойства электронных конфигураций.

Межмолекулярные силы держат молекулы близко друг от друга, и поэтому они ответственны за агрегацию молекул, наблюдаемую в жидком или твердом веществе. В этих веществах молекулы слипаются, тогда как в газах каждая движется сама по себе. Почему же молекулы иногда собираются в твердые тела, иногда в жидкости, а иногда, если вещество газообразно, совсем не собираются? Агрегатное состояние сильно зависит от температуры. При очень низких температурах почти все вещества становятся твердыми, при очень высоких все переходят в газообразное состояние, а при известных промежуточных температурах они жидки. Значения температур, при которых происходят эти превращения (точка плавления, точка кипения), зависят от силы притяжения между молекулами.

При очень низких температурах тепловое движение весьма незначительно, и поэтому молекулы выстраиваются в строго правильные ряды и удерживаются в таком виде межмолекулярными силами. Получается твердое тело. Правильное расположение молекул часто эффектно проявляется в кристаллах. В гл. IV мы видели, как ионный микроскоп показывает правильное, упорядоченное расположение атомов вольфрама. Кристаллы — это твердые тела, в которых правильное расположение атомов сохраняется в больших объемах и непосредственно проявляется в виде прямых ребер и правильно расположенных граней и вершин. Так как при этом порядок в малом увеличивается в огромное число раз, кристаллы дают нам непосредственную картину симметрии самых малых единиц. Если попытаться деформировать кристалл, изгибая или ломая его, чувствуется сопротивление — при перемене взаимного расположения атомов надо преодолеть межмолекулярные силы, которые удерживают атомы в определенных «правильных» местах.

Молекулы и атомы в твердых телах столь близки, что они часто сливаются; соседние электронные конфигурации при этом перекрываются так сильно, что все твердое вещество следует рассматривать как одну большую молекулу. Для металлов, например, характерно, что внешние электроны атомов образуют конфигурации, простирающиеся по всему куску металла. Поэтому металлы служат хорошими проводниками электричества; электроны свободно переходят от одного атома к другому.

При более высоких температурах тепловое движение усиливается и разрушает упорядоченное расположение молекул или атомов в твердом теле. Молекулярные силы все еще держат молекулы плотно упакованными, но уже не могут заставить их располагаться упорядоченным образом. Поэтому в таких телах сопротивление деформированию или изгибанию отсутствует. Однако молекулы все еще остаются друг возле друга, они образуют жидкость. Переход от твердого тела к жидкости зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если оно велико, как в горной породе или в металле, то нужна высокая температура, чтобы преодолеть связи, удерживающие молекулы в правильном порядке; если же оно мало, как в воде или воздухе, переход в другое агрегатное состояние происходит при меньших температурах.

Если температура становится выше точки плавления, то тепловое движение усиливается настолько, что преодолевает не только упорядочивающее, но и связывающее действие межмолекулярных сил. Тогда молекулы отрываются друг от друга вследствие теплового движения и разлетаются по всем направлениям, сталкиваясь между собой и налетая на стенки сосуда. Они больше не упакованы плотно, а распределены по всему доступному объему. Тогда мы получаем уже газ. Температура, при которой образуется газ, также зависит от сил между молекулами. В воздухе эти силы столь малы, что не могут удерживать молекулы вместе уже при обычных температурах. В некоторых металлах и горных породах они так велики, что для перехода этих веществ в газообразные состояния нужна температура, примерно равная 2000 °C.

Увеличение температуры ослабляет характерные свойства и степень организации вещества. В твердом состоянии вещества имеют типичные формы (кристаллов), обладают специфическим строением и твердостью и их легко распознать. В жидком состоянии собственная форма и структура утеряны — вещество принимает форму сосуда, сохраняются только характерная плотность, цвет и ограничивающая поверхность. Переход в другое агрегатное состояние виден особенно четко, когда снежинка с ее сложной гексагональной структурой превращается в аморфную каплю воды. Газообразное состояние еще менее специфично. Газообразное вещество утратило свою характерную плотность и поверхность, остались только его цвет и запах. Однако во всех трех состояниях вещество построено из одних и тех же молекул или атомов; одни и те же атомы металла входят в твердый, жидкий или газообразный металл; одни и те же молекулы образуют лед, воду и пар.