Structura și proprietățile moleculelor

Toate trupurile care ne înconjoară constau din atomi. Atomii, la rândul lor, se adună într-o moleculă. Se datorează diferenței în structura moleculară faptul că putem vorbi despre substanțe care diferă una de alta, bazându-se pe proprietățile și parametrii lor. Moleculele și atomii sunt întotdeauna într-o stare de dinamică. În timp ce se mișcă, ei încă nu se împrăștie în direcții diferite, ci se află într-o anumită structură, decât suntem obligați să existe o astfel de mare varietate de substanțe în lumea din jurul nostru. Care sunt aceste 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, o moleculă este cea mai mică particulă care are compoziția și proprietățile chimice ale substanței în sine. Astfel, proprietățile moleculelor din punctul de vedere al chimiei sunt determinate de ei chimice și compoziția. Dar numai pentru substanțele cu structură moleculară este regula: chimică proprietățile substanțelor iar moleculele sunt aceleași. Pentru anumiți polimeri, de exemplu, etilenă și polietilenă, compoziția nu corespunde celei moleculare.

Se știe că proprietățile moleculelor sunt determinate nu numai de numărul atomilor, de tipul lor, dar și de configurația, ordinea legăturii. 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 polaritate pronunțată, proprietățile moleculelor sunt dificil de descris cu corelații de două sau trei constante, care sunt perfect potrivite 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, cea mai comună 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 o conductivitate termică scăzută. 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 apa dezghețată: molecula dobândește o structură proporțională 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 pentru a explica proprietățile 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.

Folosind termodinamica statistica, proprietatile fizice ale moleculelor, determinate prin metodele spectroscopiei moleculare, in chimia fizica determina proprietatile termodinamice ale substantelor necesare pentru calcularea echilibrelor chimice si a ratelor de stabilire a acestora.

Care este diferența dintre proprietățile atomilor și moleculelor între ele?

Mai întâi de toate, atomii nu apar într-o stare liberă.

În molecule, spectrele optice sunt mai bogate. Aceasta se datorează simetriei inferioare a sistemului și apariției posibilității unor rotații și oscilații noi ale nucleelor. Într-o moleculă, energia totală este formată din trei energii, care diferă în ordine de mărime:

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

Atomii emit spectre de linii caracteristice, iar moleculele - dungate, constând dintr-un set de linii apropiate.

Analiza spectrală

Proprietățile optice, electrice, magnetice și altele ale moleculei sunt, de asemenea, determinate prin cuplarea cu val. Datele privind stările moleculare și tranziția probabilă dintre ele prezintă spectrele moleculare.

Tranzițiile (electronice) din molecule arată legăturile chimice și structura lor. Spectrele care au un număr mai mare de legături au benzi de absorbție cu lungime de undă lungă care intră în regiunea vizibilă. Dacă o substanță este construită din astfel de molecule, ea are o colorare caracteristică. E totul coloranți organici.

Proprietățile moleculelor din aceeași substanță sunt aceleași în toate stările agregate. Aceasta înseamnă că pentru aceleași substanțe proprietățile moleculelor de substanțe lichide și gazoase nu diferă de proprietățile substanțelor solide. Molecula unei substanțe are întotdeauna aceeași structură, indiferent de starea agregată a substanței în sine.

Caracteristici electrice

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

Momentul dipolului este asimetria electrică a unei molecule. Pentru molecule care au un centru de simetrie, cum ar fi H₂, nu există nici un moment constant al dipolului. Abilitatea unei cochilii de electroni a unei molecule de a se deplasa sub influența unui câmp electric, ca rezultat al formării unui moment dipol indus, este o polarizabilitate. Pentru a găsi valoarea polarizabilității și a momentului dipolului, este necesar să se măsoare permitivitatea.

Comportamentul într-un câmp electric alternativ al unei unde luminoase este caracterizat de proprietățile optice ale materiei, care sunt determinate de polarizabilitatea moleculei acestei substanțe. Sunt conectate direct cu polarizabilitate: dispersie, refracție, activitate optică și alte fenomene de optică moleculară.

De multe ori se aude întrebarea: "Ce, în afară de molecule, depind de proprietățile unei substanțe?" Răspunsul la aceasta este destul de simplu.

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

Chimia moleculelor

Înainte de formarea unei astfel de științe ca mecanica cuantică, natura legăturilor chimice în molecule era un mister dezvăluit. Fizica clasică nu a putut explica direcția și saturația legăturilor de valență. După crearea de informații teoretice de bază asupra bonding chimice (1927) pentru un exemplu de cea mai simpla molecula H2, teoria și metodele de calcul au fost îmbunătățite treptat. De exemplu, bazată pe aplicarea largă a metodei orbitale moleculare, chimia cuantică, a fost posibil să se calculeze distanța interatomică, energia moleculelor și legăturile chimice, distribuția densității de electroni și alte date, care ar putea să coincidă 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 ele sunt aceleași molecule.

Diferite tipuri de izomerism structural sunt cunoscute. Diferențele sunt în structura scheletului de carbon, poziția grupului funcțional sau poziția legăturii multiple. În plus, există încă izomeri spațiale în care proprietățile moleculei de substanță sunt caracterizate de aceeași compoziție și structură chimică. Prin urmare, ele au aceleași formule structurale și moleculare. Diferențele sunt în forma spațială a moleculei. Formule speciale sunt utilizate pentru a reprezenta diferite izomeri spațiale.

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 unite în serii omoloage. După studierea proprietăților unui omolog, se poate vorbi despre oricare dintre celelalte. Setul de omologi este o serie de omologii.

În transformarea structurii materiei, proprietățile chimice ale moleculelor se schimbă drastic. Un exemplu este chiar și cei mai simpli compuși: metanul, care se conectează chiar și cu un atom de oxigen, devine un lichid otrăvitor numit metanol (alcool metilic - CH3OH). În consecință, complementaritatea sa chimică și acțiunea asupra organismelor vii devin diferite. Modificări similare, dar mai complexe apar atunci când structurile biomoleculelor sunt modificate.

Proprietățile moleculare chimice depind puternic de structura și proprietățile moleculelor: de legăturile energetice din ea și de geometria moleculei în sine. În special funcționează în compuși biologic activi. Ce reacție concurențială va predomina este deseori determinată numai de factori spațiale, care, la rândul lor, depind de moleculele originale (configurațiile lor). O moleculă care are o configurație "incomodă" nu va reacționa deloc, iar cealaltă moleculă, cu aceeași compoziție chimică, dar cu o geometrie diferită, poate reacționa instantaneu.

Un număr mare de procese biologice observate în timpul creșterii și reproducerii sunt asociate cu relațiile geometrice dintre produsele de reacție și materiile prime. Pentru informare: acțiunea unui număr considerabil de medicamente noi se bazează pe o structură similară a moleculelor oricărui compus care este dăunător biologic organismului uman. Medicamentul înlocuiește o moleculă dăunătoare și o face mai dificilă.

Utilizarea formulelor chimice exprimă compoziția și proprietățile moleculelor diferitelor substanțe. Pe baza greutății moleculare, analiza chimică raportul atomic este stabilit și se face o formulă empirică.

geometrie

Determinarea structurii geometrice a moleculei se realizează 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 converg, începe să se formeze o legătură chimică. Atunci atomii sunt puternic atrase unul de altul.

Dacă există o atracție slabă, nu este necesară formarea unei legături chimice. Dacă atomii încep să se apropie de distanțe mai mari, forțele electrostatice respingătoare încep să acționeze între nuclee. Un obstacol în calea convergenței puternice a atomilor este incompatibilitatea cochililor de electroni interni.

dimensiuni

Cu ochiul liber, este imposibil să vedeți molecule. Ele sunt atât de mici încât chiar și un microscop cu mărire de 1000x nu ne va ajuta să le discutăm. Biologii observă bacterii de 0,001 mm în dimensiune. Dar moleculele sunt sute și mii de ori mai mici decât ele.

Astăzi, structura moleculelor unei anumite substanțe este determinată prin metode de difracție: difracția neutronilor, analiza difracției cu raze 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 valoare condiționată, dacă luăm în considerare shell-ul de electroni. Punctul este în distanța dintre electronii din nucleele atomice. Cu cât sunt mai mari, probabilitatea de a găsi electronii unei molecule este mai mică. În practică, mărimea moleculelor poate fi determinată luând în considerare distanța de echilibru. Acesta este intervalul în care moleculele se pot apropia împreună în ambalajul dens într-un cristal molecular și într-un lichid.

Distanțele mari au moleculele la gravitate, iar cele mici, dimpotrivă, la repulsie. Prin urmare, analiza difracției cu raze X a cristalelor moleculare ajută la găsirea mărimii moleculei. Folosind coeficientul de difuzie, conductivitatea termică și vâscozitatea gazului și densitatea substanței în stare condensată poate determina ordinul de mărime a dimensiunii moleculare.