Structura și proprietățile moleculelor

Toate trupurile care ne înconjoară constau din atomi. Atomii, la rândul lor, se adună într-o moleculă. Aceasta se datorează diferențelor de structură moleculară, este posibil să vorbim de substanțe distincte, în funcție de proprietățile și parametrii lor. Molecule și atomii sunt întotdeauna într-o poziție pentru difuzoare. Cu toate acestea, ele nu se împrăștie în direcții diferite, și sunt ținute într-o anumită structură, îi datorăm existența unei astfel de o mare varietate de substanțe în întreaga lume din jurul nostru. Ce fel de particule și care sunt proprietățile lor?

Concepte generale

Dacă pornim de la teoria mecanicii cuantice, molecula constă nu din atomi, ci din nucleele și electronii lor, care interacționează în mod constant unul cu celălalt.

Pentru unele substanțe, molecula este cea mai micăo particulă care are compoziția și proprietățile chimice ale substanței în sine. Astfel, proprietățile moleculelor din punctul de vedere al chimiei sunt determinate de structura și compoziția sa chimică. Dar numai pentru substanțele cu o regulă a structurii moleculare: proprietățile chimice ale substanțelor și moleculelor sunt aceleași. Pentru anumiți polimeri, de exemplu, etilenă și polietilenă, compoziția nu corespunde celei moleculare.

Se știe că proprietățile moleculelor nu sunt determinatenumai numărul de atomi, tipul lor, dar și configurația, ordinea conexiunii. O moleculă este o construcție arhitecturală complexă, în care fiecare element își are locul și are proprii vecini specifici. Structura atomică poate fi mai mult sau mai puțin rigidă. Fiecare atom oscilează în raport cu poziția sa de echilibru.

Configurație și setări

Se întâmplă ca anumite părți ale moleculei să se rotească în raport cu alte părți. Astfel, în procesul de mișcare termică, o moleculă liberă dobândește forme bizare (configurații).

În general, proprietățile moleculelor sunt determinate de legătura(tipul ei) între atomi și arhitectura moleculei în sine (structură, formă). Astfel, în primul rând teoria chimică generală ia în considerare legăturile chimice și se bazează pe proprietățile atomilor.

Cu o polaritate pronunțată pronunțată, proprietățile moleculelorEste dificil să se descrie corelațiile cu două sau trei constante, care sunt excelente pentru moleculele nepolare. Prin urmare, a fost introdus un parametru suplimentar cu un moment dipol. Dar această metodă nu este întotdeauna de succes, deoarece moleculele polare au caracteristici individuale. Parametrii pentru contabilizarea efectelor cuantice care sunt importanți la temperaturi scăzute au fost, de asemenea, propuși.

Ce știm despre molecula celei mai abundente substanțe de pe Pământ?

Dintre toate substanțele de pe planeta noastră, cel mai multcomun este apa. Aceasta, într-un sens literal, oferă viață tuturor lucrurilor de pe Pământ. Numai virușii pot face fără ea, alte structuri vii în compoziția lor au cea mai mare parte apă. Ce proprietăți ale moleculei de apă, caracteristică numai ei, sunt folosite în viața economică a omului și a naturii vii a Pământului?

La urma urmei, aceasta este cu adevărat o substanță unică! Setul de proprietăți inerente în apă nu se poate lăuda mai mult decât orice substanță.

Apa este principalul solvent în natură. Toate reacțiile care au loc în organismele vii, într-un fel sau altul, au loc în mediul acvatic. Adică substanțele reacționează când sunt într-o stare dizolvată.

Apa are o capacitate excelentă de căldură, dar scăzutăconductivitatea termică. Datorită acestor proprietăți, îl putem folosi ca transport de căldură. Acest principiu face parte din mecanismul de răcire al unui număr mare de organisme. În energia nucleară, proprietățile moleculei de apă au servit drept scuză pentru utilizarea acestei substanțe ca agent de răcire. Pe lângă faptul că poate fi un mediu reactiv pentru alte substanțe, apa însăși poate intra în reacții: fotoliză, hidratare și altele.

Apa naturala curata este un lichid care nu are miros, culoare si gust. Dar pe grosimea stratului, mai mare de 2 metri, culoarea devine albastră.

Întreaga moleculă de apă este un dipol (doi diferiți de poli). Structura dipolului determină în principal proprietățile neobișnuite ale acestei substanțe. Molecula de apă este o diamagnet.

O altă proprietate interesantă este dezghețatăapă: molecula sa dobândește un raport de aur și structura substanței - proporțiile secțiunii de aur. Multe proprietăți care posedă o moleculă de apă sunt stabilite prin analizarea absorbției și emisiei de spectre dungate în faza gazoasă.

Natură naturală și proprietăți moleculare

Toate substanțele, cu excepția substanțelor chimice, au proprietățile fizice ale moleculelor care alcătuiesc structura lor.

În știința fizică, conceptul de molecule este folosit pentruexplicații ale proprietăților solidelor, lichidelor și gazelor. Capacitatea difuziei tuturor substanțelor, vâscozitatea, conductivitatea termică și alte proprietăți sunt determinate de mobilitatea moleculelor. Când fizicianul francez Jean Perrin a studiat mișcarea browniană, el a demonstrat experimental existența moleculelor. Toate organismele vii există datorită unei interacțiuni interne echilibrate în structură. Toate proprietățile chimice și fizice ale substanțelor sunt de o importanță fundamentală pentru științele naturii. Dezvoltarea fizicii, chimiei, biologiei și fizicii moleculare a dus la apariția unei astfel de științe ca biologia moleculară, care studiază fenomenele principale din viață.

Utilizând termodinamica statistică,proprietățile fizice ale moleculelor, care determină metodele de spectroscopie moleculară, determină în chimia fizică proprietățile termodinamice ale substanțelor necesare pentru calcularea echilibrului chimic și a ratelor de stabilire a acestuia.

Care este diferența dintre proprietățile atomilor și moleculelor?

Mai întâi de toate, atomii nu se găsesc în stare liberă.

Moleculele au spectre optice mai bogate. Aceasta se datorează simetriei inferioare a sistemului și apariției posibilității de rotații și oscilații noi ale nucleelor. Într-o moleculă, energia totală este formată din trei energii, care sunt diferite în ordinea magnitudinii componentelor:

• coajă de electroni (radiații optice sau ultraviolete);
• oscilații ale nucleelor ​​(partea infraroșie a spectrului);
• rotația moleculei ca întreg (interval de frecvență radio).

Atomii emit spectre de linie caracteristice, iar moleculele sunt dungate, constând din multe linii apropiate.

Analiza spectrală

Optice, electrice, magnetice și alteleproprietățile moleculei sunt de asemenea determinate de conexiunea cu funcțiile de undă. Datele privind stările moleculare și tranziția probabilă dintre ele prezintă spectrul molecular.

Sunt prezentate tranziții (electronice) în moleculelegături chimice și structura cochililor de electroni. Spectrele cu un număr mai mare de legături au benzile de absorbție cu lungimi de undă lungi care se încadrează în regiunea vizibilă. Dacă o substanță este construită din astfel de molecule, ea are o culoare caracteristică. Acestea sunt toate vopselele organice.

Proprietățile moleculelor din aceeași substanțăsunt aceleași în toate stadiile de agregare. Aceasta înseamnă că pentru aceleași substanțe proprietățile moleculelor de substanțe lichide și gazoase nu diferă de proprietățile substanțelor solide. O moleculă dintr-o substanță are întotdeauna aceeași structură, indiferent de starea de agregare a substanței în sine.

Specificații electrice

Modul în care se comportă o substanță într-un câmp electric este determinat de caracteristicile electrice ale moleculelor: polarizabilitatea și un moment constant al dipolului.

Momentul dipolului este asimetria electrică a moleculei. În molecule care au un centru de simetrie, cum ar fi H₂nu există nici un moment constant al dipolului. Abilitatea cochiliei electronice a unei molecule de a se deplasa sub influența unui câmp electric, ca rezultat al formării unui moment dipol indus, este polarizabilitatea. Pentru a găsi valoarea polarizabilității și a momentului dipolului, este necesară măsurarea constantei dielectrice.

AC comportamentul câmpului electricUndele luminoase caracterizează proprietățile optice ale unei substanțe, determinate de polarizabilitatea moleculei acestei substanțe. Direct asociate cu polarizabilitate: împrăștiere, refracție, activitate optică și alte fenomene de optică moleculară.

Puteți auzi deseori întrebarea: "Ce, pe lângă molecule, depind de proprietățile unei substanțe?" Răspunsul este destul de simplu.

Proprietățile substanțelor, pe lângă izometrie și structura cristalină, sunt determinate de temperatura ambiantă, de substanța în sine, de presiune și de prezența impurităților.

Molecule chimie

Înainte de formarea unei astfel de științe ca fiind cuanticămecanica, natura legăturilor chimice în molecule a fost un mister nerezolvat. Fizica clasică nu a putut explica direcția și saturabilitatea legăturilor de valență. După crearea informației teoretice de bază despre legătura chimică (1927) pe exemplul celei mai simple molecule de H2, teoria și metodele de calcul au început să se îmbunătățească treptat. De exemplu, pe baza utilizării pe scară largă a metodei orbitalelor moleculare, chimiei cuantice, a fost posibil să se calculeze distanțele interatomice, energia moleculelor și legăturilor chimice, distribuția densității electronice și alte date care au coincis în totalitate cu cele experimentale.

Substanțele cu aceeași compoziție, dar cu structură chimică diferită și proprietăți diferite, se numesc izomeri structurali. Ei au formule structurale diferite, dar aceleași formule moleculare.

Diferite tipuri de izomerism structural sunt cunoscute. Diferențele sunt în structura scheletului de carbon, poziția grupului funcțional sau poziția unei legături multiple. În plus, există încă izomeri spațiale, în care proprietățile unei molecule de substanță sunt caracterizate de aceeași compoziție și structură chimică. Prin urmare, ele au aceleași formule structurale și moleculare. Diferențele se află în forma spațială a moleculei. Pentru imaginea izomerilor spațiale diferiți folosiți formule speciale.

Există compuși numiți omologi. Ele sunt similare în structură și proprietăți, dar diferă în compoziție de una sau mai multe grupări CH2. Toate substanțele similare în structură și proprietăți sunt combinate în serii omoloage. După ce ați studiat proprietățile unui omolog, puteți discuta despre oricare dintre celelalte. Setul de omologi este o serie omologă.

În transformarea structurilor substanței chimiceproprietățile moleculare se schimbă dramatic. Un exemplu sunt chiar și cei mai simpli compuși: metanul, combinând chiar și cu un atom de oxigen, devine un lichid otrăvitor denumit metanol (alcool metilic - CH3OH). În consecință, complementaritatea sa chimică și acțiunea asupra organismelor vii devin diferite. Modificări similare, dar mai complexe apar la modificarea structurilor biomoleculelor.

Proprietățile moleculare chimice sunt foarte dependentedin structura și proprietățile moleculelor: din legăturile energetice din ea și din geometria moleculei în sine. Aceasta funcționează în special în compușii biologic activi. Ce reacție concurențială va fi predominantă este deseori determinată numai de factori spațiale, care depind, la rândul lor, de moleculele originale (configurația lor). O moleculă, care are o configurație "incomodă", nu va reacționa deloc, iar cealaltă, cu aceeași compoziție chimică, dar cu o altă geometrie, poate reacționa imediat la reacție.

Un număr mare de procese biologiceobservate în timpul creșterii și reproducerii, datorită raporturilor geometrice dintre produsele de reacție și materiile prime. Pentru informații: efectul unei cantități considerabile de medicamente noi se bazează pe structura similară a moleculelor oricărui compus care este dăunătoare biologic corpului uman. Medicamentul înlocuiește molecula dăunătoare și complică acțiunea sa.

Utilizarea formulelor chimice exprimă compoziția șiproprietățile moleculelor de substanțe diferite. Pe baza greutății moleculare, analizei chimice, se stabilește un raport atomic și se compilează o formulă empirică.

geometrie

Determinarea structurii geometrice a moleculeiprodusă ținând cont de aranjamentul de echilibru al nucleelor ​​atomice. Energia interacțiunii atomilor depinde de distanța dintre nucleele atomilor. La distanțe foarte mari această energie este zero. Când atomii se apropie unul de celălalt, începe să se formeze o legătură chimică. Atunci atomii sunt puternic atrase unul de altul.

Dacă există o atracție slabă, atuncinu este necesară formarea unei legături chimice. Dacă atomii încep să se apropie de distanțe mai apropiate, forțele de repulsie electrostatice încep să acționeze între nuclee. Un obstacol în calea convergenței puternice a atomilor este incompatibilitatea cochiliilor interne ale electronilor.

dimensiuni

Este imposibil să vedeți moleculele cu ochiul liber. Ele sunt atât de mici încât chiar și un microscop cu o mărire de 1000x nu ne va ajuta să le vedem. Biologii observă bacterii de 0,001 mm. Dar moleculele sunt sute și mii de ori mai mici.

Astăzi, structura moleculelor unei anumite substanțedeterminată prin metode de difracție: difracția neutronilor, analiza structurală a razelor X. Există, de asemenea, spectroscopie vibrațională și metoda paramagnetică electronică. Alegerea metodei depinde de tipul substanței și de starea acesteia.

Mărimea unei molecule este o cantitate condiționată dacăia în considerare coajă electronică. Punctul este distanța dintre electronii din nucleele atomice. Cu cât sunt mai mulți, cu atât mai puțin probabil să găsească electronii moleculei. În practică, mărimea moleculelor poate fi determinată luând în considerare distanța de echilibru. Acesta este diferența la care moleculele însele se pot converti atunci când sunt împachetate bine într-un cristal molecular și într-un lichid.

Distanțele lungi leagă moleculeleatracție și mic, dimpotrivă, la repulsie. Prin urmare, analiza cu raze X a cristalelor moleculare ajută la găsirea mărimii moleculei. Utilizând coeficientul de difuzie, conductivitatea termică și viscozitatea gazelor, precum și densitatea unei substanțe într-o stare condensată, se poate determina ordinea de mărime a dimensiunilor moleculare.