Молецуле

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу

Молекул ( новолат молецула , умањено од латинског моле - масс [1] ) је електрични неутрална честица формирана од два или више атома повезаних ковалентним везама [2] [3] [4] [5] [6] [7] . У физици , молекули такође укључују једноатомне молекуле , односно слободне (хемијски невезане) атоме (на пример, инертни гасови , жива , итд.). Додељивање молекулима моноатомских молекула, односно слободних атома , на пример, моноатомских гасова , доводи до комбинације појмова „молекул“ и „атом“ [8] . Обично се претпоставља да су молекули неутрални (не носе електрична наелектрисања) и да не носе неспарене електроне (све валенције су засићене); наелектрисани молекули се називају молекуларни јони , молекули са вишеструким бројем који није јединица (то јест, са неспареним електронима и незасићеним валентностима ) називају се радикали .

Молекули релативно велике молекулске тежине , који се састоје од фрагмената ниске молекулске тежине који се понављају, називају се макромолекули [9] .

Са становишта квантне механике [10], молекул је систем не атома, већ електрона и атомских језгара који међусобно делују.

Структурне карактеристике молекула одређују физичка својства супстанце која се састоји од ових молекула.

Супстанце које задржавају молекуларну структуру у чврстом стању укључују, на пример, воду , угљен моноксид (ИВ) и многе органске супстанце. Одликују их ниске тачке топљења и кључања. Већина чврстих (кристалних) неорганских супстанци се не састоје од молекула, већ од других честица (јона, атома) и постоје у облику макротела (кристал натријум хлорида , парче бакра , итд.).

Састав молекула сложених супстанци изражава се хемијским формулама .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Кратак преглед различитих породица елементарних и сложених честица и теорија које описују њихове интеракције . Елементарне честице са леве стране су фермиони , са десне стране су бозони . ( Услови - хипервезе до чланака ВП )

Прича

На међународном конгресу хемичара у Карлсруеу 1860. усвојене су дефиниције појмова молекула и атома. Молекул је дефинисан као најмања честица хемикалије која има сва њена хемијска својства.

Класична теорија хемијске структуре

Модел кугласте шипке молекула диборана Б 2 Х 6 . Атоми бора су приказани ружичастом бојом, атоми водоника - сивом.
Централни "премошући" моновалентни атоми водоника формирају везе са три центра са суседним атомима бора
Просторна структура молекула диборана .
Дужине везе су приказане сивом бојом, углови везе су обојени.
Диедарски угао између равни периферних и премосних триплета језгара ХБХ је 90 °

У класичној теорији хемијске структуре, молекул се сматра најмањом стабилном честицом супстанце која има све своје хемијске особине. У овој дефиницији, молекули такође укључују моноатомске честице (посебно молекуле инертних гасова )

Молекул дате супстанце има константан састав, односно исти број атома уједињених хемијским везама , док је хемијска индивидуалност молекула одређена управо комбинацијом и конфигурацијом хемијских веза, односно валентним интеракцијама између његових саставних атома, који обезбеђују његову стабилност и основна својства у прилично широком спектру спољашњих услова. Невалентне интеракције (на пример, водоничне везе ), које често могу значајно утицати на својства молекула и супстанце која се њима формира, не узимају се у обзир као критеријум индивидуалности молекула.

Централни став класичне теорије је одредба о хемијској вези, при чему су дозвољене не само везе са два центра које спајају парове атома, већ и присуство мултицентричних (обично са три центра, понекад са четири центра) веза са „премосним „атоми – као што је, на пример, премошћавање атома водоника у боранима , природа хемијске везе се не разматра у класичној теорији – само такве интегралне карактеристике као што су углови везе , диедарски углови (углови између равни које формирају тројке језгара), узимају се у обзир дужине веза и њихове енергије .

Дакле, у класичној теорији, молекул је представљен као динамички систем у коме се атоми сматрају материјалним тачкама и у коме атоми и придружене групе атома могу да врше механичка ротационо и вибрационо кретање у односу на неку равнотежну нуклеарну конфигурацију која одговара минималној енергији. молекула и сматра се системом хармонијских осцилатора .

Молекул се састоји од атома, тачније од атомских језгара окружених одређеним бројем унутрашњих електрона, и спољашњих валентних електрона који формирају хемијске везе. Унутрашњи електрони атома обично не учествују у формирању хемијских веза. Састав и структура молекула супстанце не зависе од начина њене припреме.

Атоми се комбинују у молекулу у већини случајева путем хемијских веза. По правилу, такву везу формирају један, два или три пара електрона у заједничком власништву два атома, формирајући заједнички електронски облак, чији је облик описан типом хибридизације. Молекул може имати позитивно и негативно наелектрисане атоме ( јоне ).

Састав молекула се преноси хемијским формулама. Емпиријска формула се успоставља на основу атомског односа елемената супстанце и молекулске масе .

Геометријска структура молекула одређена је равнотежним распоредом атомских језгара. Енергија интеракције атома зависи од удаљености између језгара. На веома великим удаљеностима ова енергија је нула. Ако се хемијска веза формира када се атоми међусобно приближавају, онда се атоми међусобно снажно привлаче (уочава се слабо привлачење без стварања хемијске везе), даљим приближавањем почињу да делују електростатичке одбојне силе атомских језгара. Препрека снажном приближавању атома је и немогућност усклађивања њихових унутрашњих електронских омотача.

Сваком атому у одређеном валентном стању у молекулу може се доделити одређени атомски или ковалентни радијус (у случају јонске везе, јонски радијус), који карактерише величину електронске љуске атома (јона) који формира хемикалију веза у молекулу. Величина електронске љуске молекула је условна вредност. Постоји вероватноћа (иако веома мала) да се електрони молекула налазе на већој удаљености од његовог атомског језгра. Практичне димензије молекула одређене су равнотежном раздаљином на којој се они могу приближити густим паковањем молекула у молекуларном кристалу и у течности . На већим растојањима молекули се међусобно привлаче, на мањим се одбијају. Величине молекула могу се наћи коришћењем анализе дифракције рендгенских зрака молекуларних кристала. Ред величине ових димензија може се одредити из коефицијената дифузије, топлотне проводљивости и вискозитета гасова и из густине супстанце у кондензованом стању. Удаљеност на којој валентни невезани атоми истих или различитих молекула могу да се приближе један другом може се окарактерисати просечним вредностима такозваних Ван дер Валсових радијуса .

Ван дер Валсов радијус значајно премашује ковалентни радијус. Познавајући вредности ван дер Валсовог, ковалентног и јонског радијуса, могуће је конструисати визуелне моделе молекула који би одражавали облик и величину њихових електронских шкољки.

Ковалентне хемијске везе у молекулу се налазе под одређеним угловима, који зависе од стања хибридизације атомских орбитала. Дакле, молекуле засићених органских једињења карактерише тетраедарски (тетраедарски) распоред веза које формира атом угљеника, за молекуле са двоструком везом ( Ц = Ц ) - планарни распоред атома угљеника, за молекуле једињења са троструком везом. веза ( Ц Ц ) - линеарни распоред веза ... Дакле, полиатомски молекул има одређену конфигурацију у простору, односно одређену геометрију распореда веза, која се не може променити без њиховог прекида. Молекул се одликује једном или другом симетријом распореда атома. Ако молекул нема раван и центар симетрије, онда може постојати у две конфигурације, које су једна другој у огледалу (огледални антиподи или стереоизомери ). Све најважније биолошке функционалне супстанце у живој природи постоје у облику једног одређеног стереоизомера.

Молекули који садрже једноструке везе, или сигма везе , могу постојати у различитим конформацијама које произилазе из ротације атомских група око појединачних веза. Важне карактеристике синтетичких и биолошких полимерних макромолекула одређене су управо њиховим конформационим својствима.

Квантно хемијска теорија хемијске структуре

У квантној хемијској теорији хемијске структуре, главни параметри који одређују индивидуалност молекула су његове електронске и просторне (стереохемијске) конфигурације. У овом случају, конфигурација са најнижом енергијом, односно основно енергетско стање, узима се као електронска конфигурација која одређује својства молекула.

Репрезентација молекуларне структуре

Молекули се састоје од електрона и атомских језгара, локација ових других у молекулу се преноси структурном формулом (тзв. бруто формула се користи за пренос композиције). Молекули протеина и неких вештачки синтетизованих једињења могу да садрже стотине хиљада атома. Полимерни макромолекули се разматрају одвојено.

Молекули су предмет проучавања теорије структуре молекула , квантне хемије , чији апарати активно користе достигнућа квантне физике , укључујући њене релативистичке гране. Такође, тренутно се развија таква област хемије као што је молекуларни дизајн . Да би се утврдила структура молекула одређене супстанце, савремена наука има колосалан скуп алата: електронска спектроскопија , вибрациона спектроскопија , нуклеарна магнетна резонанца и електронска парамагнетна резонанца и многе друге, али једине директне методе тренутно су методе дифракције, као што је Кс. -анализа зрака и дифракција неутрона .

Интеракција атома при формирању молекула

Природа хемијских веза у молекулу остала је мистерија све до стварања квантне механике – класична физика није могла да објасни засићеност и усмереност валентних веза. Основе теорије хемијског везивања поставили су 1927. Хајтлер и Лондон на примеру најједноставнијег молекула Х 2 . Касније су теорија и методе прорачуна знатно побољшане.

Хемијске везе у молекулима велике већине органских једињења су ковалентне. Међу неорганским једињењима постоје јонске и донорско-акцепторске везе, које се остварују као резултат социјализације пара електрона атома. Енергија формирања молекула из атома у многим серијама таквих једињења је приближно адитивна. Односно, можемо претпоставити да је енергија молекула збир енергија његових веза, које имају константне вредности у таквим редовима.

Адитивност енергије молекула није увек испуњена. Пример кршења адитивности су планарни молекули органских једињења са такозваним коњугованим везама, односно са вишеструким везама које се смењују са једноструким везама. Снажна делокализација п-стања електрона доводи до стабилизације молекула. Изједначавање електронске густине услед колективизације п- стања електрона дуж веза изражава се у скраћивању двоструких веза и продужењу једноструких. У правилном шестоуглу међукарбонских веза бензена, све везе су исте и имају просечну дужину између дужине једноструке и двоструке везе. Коњугација веза се јасно манифестује у молекуларним спектрима. Савремена квантно-механичка теорија хемијских веза узима у обзир делокализацију не само п - већ и с - стања електрона, која се примећује у било којим молекулима.

У огромној већини случајева, укупан спин валентних електрона у молекулу је нула. Молекули који садрже неспарене електроне - слободне радикале (на пример, атомски водоник Х, метил · ЦХ 3 ), обично су нестабилни, јер када међусобно делују, долази до значајног смањења енергије услед формирања ковалентних веза . Они могу постојати стабилно на температурама када је просечна кинетичка енергија молекула већа или упоредива са енергијом везивања, али у исто време нижа од енергије разарања (на пример, јонизације) радикала.

Интермолекуларне интеракције

Интермолекуларна интеракција је интеракција између електрично неутралних молекула у свемиру. У зависности од поларитета молекула, природа међумолекулске интеракције је различита. Природа ове последње је остала нејасна све до стварања квантне механике.

Оријентациони тип међумолекулске интеракције јавља се између два поларна молекула, односно оних који имају свој диполни момент. Интеракција диполних момената одређује резултујућу силу – привлачење или одбијање. Ако се диполни моменти молекула налазе на истој линији, интеракција молекула ће бити интензивнија.

Индукциони тип међумолекулске интеракције јавља се између једног поларног и једног неполарног молекула. У овој врсти интеракције, поларни молекул поларизује неполарни молекул тако да се наелектрисање неполарног молекула, супротно наелектрисању поларног молекула који делује на њега, помера до последњег: генерално, позитивно наелектрисање се помера у правцу електричног поља које ствара поларни молекул, а негативно наелектрисање је супротно. Ово изазива поларизацију неполарног молекула, односно феномен померања везаног електронског омотача у односу на центар позитивног наелектрисања.

Дисперзивни тип интермолекуларне интеракције се јавља између два неполарна молекула. Генерално, диполни моменти неполарних молекула су једнаки нули, међутим, у одређеном тренутку времена постоји вероватноћа да ће електрони бити неравномерно распоређени по целој запремини молекула. Као резултат, настаје тренутни диполни момент. У овом случају, тренутни дипол или поларизује суседне неполарне молекуле, или ступа у интеракцију са тренутним диполом другог неутралног молекула.

Електрична и оптичка својства молекула

Понашање супстанце у електричном пољу одређено је главним електричним карактеристикама молекула – константним диполним моментом и поларизабилношћу.

Диполни моменат означава неподударност „центра гравитације“ позитивних и негативних наелектрисања у молекулу (електрична асиметрија молекула). То есть молекулы, имеющие центр симметрии, например H 2 , лишены постоянного дипольного момента, и наоборот.

Поляризуемость — это способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется наведённый дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризуемости находят экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемостью молекулы этого вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.

Магнитные свойства молекул

Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений являются диамагнитными . Магнитная восприимчивость молекул ( χ ) для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений χ для отдельных связей.

Молекулы, имеющие постоянный магнитный момент, является парамагнитными . К таковым относятся молекулы с нечётным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незаполненными внутренними оболочками ( переходные металлы и т. д.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, поскольку тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле .

Спектры и строение молекул

Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.

Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых из спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей . Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.

Молекулы в химии, физике и биологии

Понятие молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы определяет, каким будет ход реакций.

Строением и свойствами молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятие молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии , его вязкость , теплопроводность и т. д. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Жаном Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения .

Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированного химического и нехимического взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.

Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии , которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.

См. также

Примечания

  1. Молекула — статья из Большой советской энциклопедии .
  2. IUPAC Gold Book internet edition: (1994) « molecule ».
  3. Pauling, Linus. General Chemistry (неопр.) . — New York: Dover Publications, Inc. , 1970. — ISBN 0-486-65622-5 .
  4. Ebbin, Darrell, D. General Chemistry, 3rd Ed (неопр.) . — Boston: Houghton Mifflin Co. (англ.) , 1990. — ISBN 0-395-43302-9 .
  5. Brown, TL Chemistry – the Central Science, 9th Ed (неопр.) . — New Jersey: Prentice Hall , 2003. — ISBN 0-13-066997-0 .
  6. Chang, Raymond. Chemistry, 6th Ed (неопр.) . — New York: McGraw-Hill Education , 1998. — ISBN 0-07-115221-0 .
  7. Zumdahl, Steven S. Chemistry, 4th ed (неопр.) . — Boston: Houghton Mifflin (англ.) , 1997. — ISBN 0-669-41794-7 .
  8. Войшвалло Е. К. Понятие как форма мышления: логико-гносеологический анализ. — М. : МГУ, 1989. — С. 181. — 238 с.
  9. macromolecule (polymer molecule) // IUPAC Gold Book
  10. Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. — М.: Изд-во МГУ , 1965 . — 162 с.

Литература

Ссылки