Molekul

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Molekula ( novolat molekula , umanjeno od latinskog mole - masa [1] ) je električni neutralna čestica formirana od dva ili više atoma povezanih kovalentnim vezama [2] [3] [4] [5] [6] [7] . U fizici , molekuli uključuju i jednoatomne molekule , odnosno slobodne (hemijski nevezane) atome (na primjer, inertni plinovi , živa , itd.). Pripisivanje molekulima jednoatomnih molekula, odnosno slobodnih atoma , na primjer, jednoatomskih plinova , dovodi do kombinacije pojmova "molekula" i "atom" [8] . Obično se pretpostavlja da su molekuli neutralni (ne nose električne naboje) i da ne nose nesparene elektrone (sve valencije su zasićene); optužen molekule nazivaju molekularne iona , molekula s mnoštva osim jedinstvo (to jest, s nesparenih elektrona i nezasićenih valencije ) nazivaju radikalima .

Molekuli relativno velike molekulske težine , koji se sastoje od fragmenata niske molekularne težine koji se ponavljaju, nazivaju se makromolekuli [9] .

Sa stanovišta kvantne mehanike [10], molekul je sistem ne atoma, već elektrona i atomskih jezgara koji međusobno djeluju.

Strukturne karakteristike molekula određuju fizička svojstva supstance koja se sastoji od ovih molekula.

Supstance koje zadržavaju molekularnu strukturu u čvrstom stanju uključuju, na primjer, vodu , ugljični monoksid (IV) i mnoge organske tvari. Karakteriziraju ih niske tačke topljenja i ključanja. Većina čvrstih (kristalnih) neorganskih supstanci se ne sastoje od molekula, već od drugih čestica (jona, atoma) i postoje u obliku makro-tijela (kristal natrijevog hlorida , komadić bakra , itd.).

Sastav molekula složenih supstanci izražava se hemijskim formulama .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratak pregled različitih porodica elementarnih i složenih čestica i teorija koje opisuju njihove interakcije . Elementarne čestice lijevo su fermioni , a desno su bozoni . ( Uslovi - hiperveze na članke VP )

Priča

Na međunarodnom kongresu hemičara u Karlsruheu 1860. usvojene su definicije pojmova molekula i atoma. Molekul je definisan kao najmanja čestica hemikalije koja ima sva njena hemijska svojstva.

Klasična teorija hemijske strukture

Model kuglaste šipke molekule diborana B 2 H 6 . Atomi bora su prikazani ružičastom bojom, atomi vodonika - sivom.
Centralni "premosni" monovalentni atomi vodika formiraju veze sa tri centra sa susjednim atomima bora
Prostorna struktura molekule diborana .
Dužine veze su prikazane sivom bojom, uglovi veze su obojeni.
Diedarski ugao između ravnina perifernih i premosnih trojki jezgri HBH je 90°

U klasičnoj teoriji hemijske strukture, molekul se smatra najmanjom stabilnom česticom supstance koja ima sva njena hemijska svojstva. U ovoj definiciji, molekuli uključuju i jednoatomske čestice (posebno molekule inertnih plinova )

Molekul date supstance ima konstantan sastav, odnosno isti broj atoma spojenih hemijskim vezama , dok je hemijska individualnost molekule određena upravo kombinacijom i konfiguracijom hemijskih veza, odnosno valentnih interakcija između njegovih sastavnih atoma, koji osiguravaju njegovu stabilnost i osnovna svojstva u prilično širokom rasponu vanjskih uvjeta. Nevalentne interakcije (na primjer, vodikove veze ), koje često mogu značajno utjecati na svojstva molekula i tvari nastalih od njih, ne uzimaju se u obzir kao kriterij individualnosti molekula.

Centralna pozicija klasične teorije je odredba o hemijskoj vezi, pri čemu su dozvoljene ne samo veze sa dva centra koje spajaju parove atoma, već i prisustvo multicentričnih (obično sa tri centra, ponekad sa četiri centra) veza sa "premosničkim". "atomi - kao što je, na primjer, premošćavanje atoma vodika u boranima , priroda kemijske veze se ne razmatra u klasičnoj teoriji - samo takve integralne karakteristike kao što su uglovi veze , diedralni uglovi (uglovi između ravnina formiranih od trojki jezgara), uzimaju se u obzir dužine veza i njihove energije .

Dakle, u klasičnoj teoriji, molekul je predstavljen kao dinamički sistem u kojem se atomi smatraju materijalnim tačkama i u kojem atomi i pridružene grupe atoma mogu izvoditi mehanička rotirajuća i vibracijska kretanja u odnosu na neku ravnotežnu nuklearnu konfiguraciju koja odgovara minimalnoj energiji. molekula i smatra se sistemom harmonijskih oscilatora .

Molekul se sastoji od atoma, tačnije od atomskih jezgara okruženih određenim brojem unutrašnjih elektrona i vanjskih valentnih elektrona koji formiraju kemijske veze. Unutrašnji elektroni atoma obično ne učestvuju u formiranju hemijskih veza. Sastav i struktura molekula neke supstance ne ovise o načinu njene pripreme.

Atomi se kombinuju u molekulu u većini slučajeva putem hemijskih veza. U pravilu, takvu vezu formiraju jedan, dva ili tri para elektrona u zajedničkom vlasništvu dva atoma, tvoreći zajednički elektronski oblak, čiji je oblik opisan tipom hibridizacije. Molekul može imati pozitivno i negativno nabijene atome ( jone ).

Sastav molekula se prenosi hemijskim formulama. Empirijska formula je uspostavljena na osnovu atomskog odnosa elemenata supstance i molekulske težine .

Geometrijska struktura molekula određena je ravnotežnim rasporedom atomskih jezgara. Energija interakcije atoma ovisi o udaljenosti između jezgara. Na veoma velikim udaljenostima ova energija je nula. Ako se kemijska veza formira kada se atomi međusobno približavaju, tada se atomi međusobno snažno privlače (slaba privlačnost se opaža bez stvaranja kemijske veze), s daljnjim približavanjem počinju djelovati elektrostatičke odbojne sile atomskih jezgri. Prepreka snažnom približavanju atoma je i nemogućnost usklađivanja njihovih unutrašnjih elektronskih omotača.

Svakom atomu u određenom valentnom stanju u molekuli može se pripisati određeni atomski ili kovalentni radijus (u slučaju ionske veze, ionski radijus), koji karakterizira veličinu elektronske ljuske atoma (jona) koji tvori kemikaliju veza u molekulu. Veličina elektronske ljuske molekula je uslovna vrijednost. Postoji vjerovatnoća (iako vrlo mala) da se elektroni molekula nalaze na većoj udaljenosti od njegovog atomskog jezgra. Praktične dimenzije molekula određene su ravnotežnom razdaljinom na kojoj se mogu približiti gustim pakiranjem molekula u molekularnom kristalu i u tekućini . Na većim udaljenostima molekuli se međusobno privlače, na manjim se odbijaju. Veličine molekula mogu se pronaći analizom rendgenske difrakcije molekularnih kristala. Red veličine ovih dimenzija može se odrediti iz koeficijenata difuzije, toplotne provodljivosti i viskoziteta gasova i iz gustine supstance u kondenzovanom stanju. Udaljenost na kojoj se valentni nevezani atomi istih ili različitih molekula mogu približiti jedni drugima može se okarakterizirati prosječnim vrijednostima takozvanih Van der Waalsovih radijusa .

Van der Waalsov radijus značajno premašuje kovalentni radijus. Poznavajući vrijednosti van der Waalsovog, kovalentnog i ionskog radijusa, moguće je konstruirati vizualne modele molekula koji bi odražavali oblik i veličinu njihovih elektronskih ljuski.

Kovalentne hemijske veze u molekulu nalaze se pod određenim uglovima, koji zavise od stanja hibridizacije atomskih orbitala. Dakle, molekule zasićenih organskih jedinjenja karakteriše tetraedarski (tetraedarski) raspored veza koje formira atom ugljika, za molekule sa dvostrukom vezom ( C = C ) - planarni raspored atoma ugljika, za molekule jedinjenja sa trostrukom veza ( C C ) - linearni raspored veza ... Dakle, poliatomska molekula ima određenu konfiguraciju u prostoru, odnosno određenu geometriju rasporeda veza, koja se ne može promijeniti bez njihovog prekida. Molekul se odlikuje jednom ili drugom simetrijom rasporeda atoma. Ako molekul nema ravan i centar simetrije, onda može postojati u dvije konfiguracije, koje su jedna drugoj zrcalne slike (zrcalni antipodi ili stereoizomeri ). Sve najvažnije biološke funkcionalne supstance u živoj prirodi postoje u obliku jednog određenog stereoizomera.

Molekuli koji sadrže jednostruke veze, ili sigma veze , mogu postojati u različitim konformacijama koje proizlaze iz rotacije atomskih grupa oko jednostrukih veza. Važne karakteristike sintetičkih i bioloških polimernih makromolekula određene su upravo njihovim konformacionim svojstvima.

Kvantno hemijska teorija hemijske strukture

U kvantnoj hemijskoj teoriji hemijske strukture, glavni parametri koji određuju individualnost molekula su njegove elektronske i prostorne (stereohemijske) konfiguracije. U ovom slučaju, konfiguracija s najnižom energijom, odnosno osnovno energetsko stanje, uzima se kao elektronska konfiguracija koja određuje svojstva molekula.

Prikaz molekularne strukture

Molekule se sastoje od elektrona i atomskih jezgara, a lokacija potonjih u molekuli se prenosi strukturnom formulom (za prijenos sastava koristi se tzv. bruto formula ). Molekuli proteina i nekih umjetno sintetiziranih spojeva mogu sadržavati stotine hiljada atoma. Polimerne makromolekule se razmatraju odvojeno.

Molekuli su predmet proučavanja teorije strukture molekula , kvantne hemije , čiji aparati aktivno koriste dostignuća kvantne fizike , uključujući njene relativističke grane. Takođe, trenutno se razvija oblast hemije kao što je molekularni dizajn . Za određivanje strukture molekula određene supstance, moderna nauka ima kolosalan skup alata: elektronsku spektroskopiju , vibracionu spektroskopiju , nuklearnu magnetnu rezonancu i elektronsku paramagnetnu rezonancu i mnoge druge, ali jedine direktne metode trenutno su metode difrakcije, kao što je X. -analiza zraka i difrakcija neutrona .

Interakcija atoma tokom formiranja molekula

Priroda hemijskih veza u molekulu ostala je misterija sve do stvaranja kvantne mehanike - klasična fizika nije mogla objasniti zasićenost i usmjerenost valentnih veza. Osnove teorije kemijskog vezivanja postavili su 1927. Heitler i London na primjeru najjednostavnijeg molekula H 2 . Kasnije su teorija i metode proračuna znatno poboljšane.

Hemijske veze u molekulima velike većine organskih jedinjenja su kovalentne. Među neorganskim jedinjenjima postoje jonske i donor-akceptorske veze, koje nastaju kao rezultat socijalizacije para elektrona atoma. Energija formiranja molekula iz atoma u mnogim serijama takvih spojeva je približno aditivna. Odnosno, možemo pretpostaviti da je energija molekula zbir energija njegovih veza, koje imaju konstantne vrijednosti u takvim redovima.

Aditivnost energije molekula nije uvijek ispunjena. Primjer kršenja aditivnosti su planarni molekuli organskih spojeva s takozvanim konjugiranim vezama, odnosno s višestrukim vezama koje se izmjenjuju s jednostrukim vezama. Snažna delokalizacija p-stanja elektrona dovodi do stabilizacije molekula. Izjednačavanje elektronske gustine usled kolektivizacije p- stanja elektrona duž veza izražava se u skraćivanju dvostrukih veza i produžavanju jednostrukih veza. U pravilnom šesterokutu međuugljičnih veza benzena, sve veze su iste i imaju dužinu koja je prosječna između dužine jednostruke i dvostruke veze. Konjugacija veza se jasno manifestuje u molekularnim spektrima. Moderna kvantno-mehanička teorija hemijskih veza uzima u obzir delokalizaciju ne samo p - već i s - stanja elektrona, što se opaža u bilo kojem molekulu.

U ogromnoj većini slučajeva, ukupan spin valentnih elektrona u molekulu je nula. Molekuli koji sadrže nesparene elektrone - slobodne radikale (na primjer, atomski vodik H, metil · CH 3 ), obično su nestabilni, jer kada međusobno djeluju, dolazi do značajnog smanjenja energije zbog stvaranja kovalentnih veza . Oni mogu postojati stabilno na temperaturama kada je prosječna kinetička energija molekula veća ili uporediva s energijom vezivanja, ali u isto vrijeme niža od energije razaranja (na primjer, jonizacije) radikala.

Intermolekularne interakcije

Intermolekularna interakcija je interakcija između električno neutralnih molekula u svemiru. U zavisnosti od polariteta molekula, priroda međumolekularne interakcije je različita. Priroda potonjeg ostala je nejasna sve do stvaranja kvantne mehanike.

Orijentacijski tip međumolekularne interakcije javlja se između dva polarna molekula, odnosno onih koji imaju svoj dipolni moment. Interakcija dipolnih momenata određuje rezultujuću silu – privlačenje ili odbijanje. Ako se dipolni momenti molekula nalaze na istoj liniji, interakcija molekula će biti intenzivnija.

Indukcijski tip međumolekularne interakcije javlja se između jednog polarnog i jednog nepolarnog molekula. U ovoj vrsti interakcije, polarna molekula polarizira nepolarnu molekulu tako da se naboj nepolarne molekule, suprotno naboju polarne molekule koja djeluje na nju, pomjera do posljednjeg: općenito, pozitivni naboj se pomiče u smjeru električnog polja koje stvara polarna molekula, a negativni naboj je suprotan. To uzrokuje polarizaciju nepolarne molekule, odnosno fenomen pomaka vezanog elektronskog omotača u odnosu na centar pozitivnog naboja.

Disperzivni tip intermolekularne interakcije javlja se između dva nepolarna molekula. Općenito, dipolni momenti nepolarnih molekula su jednaki nuli, međutim, u određenom trenutku vremena postoji vjerovatnoća da će elektroni biti neravnomjerno raspoređeni po cijelom volumenu molekula. Kao rezultat, nastaje trenutni dipolni moment. U ovom slučaju, trenutni dipol ili polarizuje susjedne nepolarne molekule, ili stupa u interakciju s trenutnim dipolom drugog neutralnog molekula.

Električna i optička svojstva molekula

Ponašanje tvari u električnom polju određeno je glavnim električnim karakteristikama molekula - konstantnim dipolnim momentom i polarizabilnošću.

Dipolni moment znači nepodudarnost "centra gravitacije" pozitivnih i negativnih naboja u molekulu (električna asimetrija molekula). 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