Molekula

Iz Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Molekula ( novolat molekula , umanjeno od latinskog mole - mass [1] ) je električni neutralna čestica nastala od dva ili više atoma povezanih kovalentnim vezama [2] [3] [4] [5] [6] [7] . U fizici , molekule također uključuju jednoatomne molekule , odnosno slobodne (kemijski nevezane) atome (na primjer, inertni plinovi , živa , itd.). Dodjela molekulama jednoatomnih molekula, odnosno slobodnih atoma , na primjer, jednoatomskih plinova , dovodi do kombinacije pojmova "molekula" i "atom" [8] . Obično se pretpostavlja da su molekule neutralne (ne nose električne naboje) i da ne nose nesparene elektrone (sve valencije su zasićene); nabijene molekule nazivaju se molekularni ioni , molekule s višestrukim brojem koji nije jedinica (to jest, s nesparenim elektronima i nezasićenim valencijama ) nazivaju se radikali .

Molekule relativno velike molekularne mase , koje se sastoje od fragmenata male molekularne mase koji se ponavljaju, nazivaju se makromolekulama [9] .

Sa stajališta kvantne mehanike [10], molekula je sustav ne atoma, već elektrona i atomskih jezgri koji međusobno djeluju.

Strukturne značajke molekula određuju fizička svojstva tvari koja se sastoji od tih molekula.

Tvari koje zadržavaju molekularnu strukturu u čvrstom stanju uključuju, na primjer, vodu , ugljični monoksid (IV) i mnoge organske tvari. Karakteriziraju ih nisko talište i vrelište. Većina čvrstih (kristalnih) anorganskih tvari ne sastoji se od molekula, već od drugih čestica (iona, atoma) i postoji u obliku makro-tijela (kristal natrijevog klorida , komadić bakra itd.).

Sastav molekula složenih tvari izražava se kemijskim formulama .

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

Priča

Na međunarodnom kongresu kemičara u Karlsruheu 1860. usvojene su definicije pojmova molekula i atom. Molekula je definirana kao najmanja čestica kemikalije koja ima sva svoja kemijska svojstva.

Klasična teorija kemijske strukture

Model kuglaste šipke molekule diborana B 2 H 6 . Atomi bora prikazani su ružičastom bojom, atomi vodika - sivom.
Središnji "premosni" monovalentni atomi vodika tvore veze s tri centra sa susjednim atomima bora
Prostorna struktura molekule diborana .
Duljine veze su prikazane sivom bojom, a kutovi veze su obojeni.
Diedralni kut između ravnina perifernih i premosnih trojki jezgri HBH je 90°

U klasičnoj teoriji kemijske strukture, molekula se smatra najmanjom stabilnom česticom tvari koja ima sva svoja kemijska svojstva. U ovoj definiciji, molekule također uključuju jednoatomske čestice (posebno molekule inertnih plinova )

Molekula dane tvari ima stalan sastav, odnosno isti broj atoma spojenih kemijskim vezama , dok je kemijska individualnost molekule određena upravo kombinacijom i konfiguracijom kemijskih veza, odnosno valentnim interakcijama između njezinih 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 njima, ne uzimaju se u obzir kao kriterij individualnosti molekule.

Središnji položaj klasične teorije je odredba o kemijskoj vezi, pri čemu su dopuštene ne samo veze s dva središta koje spajaju parove atoma, već i prisutnost višecentričnih (obično s tri, ponekad i četiri središta) veza s "premošćujućim". " atomi - kao što je, na primjer, premošćivanje atoma vodika u boranima , priroda kemijske veze se ne razmatra u klasičnoj teoriji - samo takve integralne karakteristike kao što su kutovi veze , diedralni kutovi (kutovi između ravnina koje formiraju trostruke jezgre), uzimaju se u obzir duljine veza i njihove energije .

Dakle, u klasičnoj teoriji, molekula je predstavljena kao dinamički sustav u kojem se atomi smatraju materijalnim točkama i u kojem atomi i pridružene skupine atoma mogu izvoditi mehanička rotirajuća i vibracijska kretanja u odnosu na neku ravnotežnu nuklearnu konfiguraciju koja odgovara minimalnoj energiji. molekule i smatra se sustavom harmonijskih oscilatora .

Molekula se sastoji od atoma, točnije, od atomskih jezgri okruženih određenim brojem unutarnjih elektrona i vanjskih valentnih elektrona koji tvore kemijske veze. Unutarnji elektroni atoma obično ne sudjeluju u stvaranju kemijskih veza. Sastav i struktura molekula tvari ne ovise o načinu njezine pripreme.

Atomi se spajaju u molekulu u većini slučajeva putem kemijskih veza. U pravilu, takvu vezu tvore jedan, dva ili tri para elektrona u zajedničkom vlasništvu dvaju atoma, tvoreći zajednički elektronski oblak, čiji je oblik opisan tipom hibridizacije. Molekula može imati pozitivno i negativno nabijene atome ( ione ).

Sastav molekule prenosi se kemijskim formulama. Empirijska formula se utvrđuje na temelju atomskog omjera elemenata tvari i molekularne mase .

Geometrijska struktura molekule određena je ravnotežnim rasporedom atomskih jezgri. Energija interakcije atoma ovisi o udaljenosti između jezgri. Na vrlo velikim udaljenostima ta energija je nula. Ako se kemijska veza formira kada se atomi međusobno približavaju, tada se atomi međusobno snažno privlače (slabo privlačenje se opaža bez stvaranja kemijske veze), daljnjim približavanjem počinju djelovati elektrostatičke odbojne sile atomskih jezgri. Prepreka snažnom približavanju atoma je i nemogućnost usklađivanja njihovih unutarnjih elektronskih ljuski.

Svakom atomu u određenom valentnom stanju u molekuli može se dodijeliti određeni atomski ili kovalentni polumjer (u slučaju ionske veze, ionski radijus), koji karakterizira veličinu elektronske ljuske atoma (iona) koji tvori kemikaliju veza u molekuli. Veličina elektronske ljuske molekule je uvjetna vrijednost. Postoji vjerojatnost (iako vrlo mala) pronalaženja elektrona molekule na većoj udaljenosti od njezine atomske jezgre. Praktične dimenzije molekule određene su ravnotežnom udaljenosti na kojoj se mogu približiti s gustim pakiranjem molekula u molekularnom kristalu i u tekućini . Na većim udaljenostima molekule 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, toplinske vodljivosti i viskoznosti plinova te iz gustoće tvari u kondenziranom 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 znatno premašuje kovalentni polumjer. 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 kemijske veze u molekuli nalaze se pod određenim kutovima, koji ovise o stanju hibridizacije atomskih orbitala. Dakle, molekule zasićenih organskih spojeva karakteriziraju tetraedarski (tetraedarski) raspored veza koje formira atom ugljika, za molekule s dvostrukom vezom ( C = C ) - planarni raspored atoma ugljika, za molekule spojeva s trostrukim 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. Molekulu karakterizira jedna ili druga simetrija rasporeda atoma. Ako molekula nema ravninu i središte simetrije, tada može postojati u dvije konfiguracije, koje su jedna drugoj zrcalne slike (zrcalni antipodi ili stereoizomeri ). Sve najvažnije biološke funkcionalne tvari u živoj prirodi postoje u obliku jednog određenog stereoizomera.

Molekule koje sadrže jednostruke veze, ili sigma veze , mogu postojati u različitim konformacijama koje proizlaze iz rotacije atomskih skupina oko jednostrukih veza. Važne značajke sintetskih i bioloških polimernih makromolekula određene su upravo njihovim konformacijskim svojstvima.

Kvantno kemijska teorija kemijske strukture

U kvantnoj kemijskoj teoriji kemijske strukture, glavni parametri koji određuju individualnost molekule su njezina elektronička i prostorna (stereokemijska) konfiguracija. U ovom slučaju, konfiguracija s najnižom energijom, odnosno osnovno energetsko stanje, uzima se kao elektronska konfiguracija koja određuje svojstva molekule.

Prikaz molekularne strukture

Molekule se sastoje od elektrona i atomskih jezgri, mjesto potonjih u molekuli prenosi se strukturnom formulom (za prijenos sastava koristi se tzv. bruto formula ). Molekule proteina i nekih umjetno sintetiziranih spojeva mogu sadržavati stotine tisuća atoma. Polimerne makromolekule razmatraju se zasebno.

Molekule su predmet proučavanja teorije strukture molekula , kvantne kemije , čiji aparat aktivno koristi dostignuća kvantne fizike , uključujući njezine relativističke grane. Također, trenutno se razvija takvo polje kemije kao što je molekularni dizajn . Za određivanje strukture molekula određene tvari, moderna znanost ima kolosalan skup alata: elektroničku spektroskopiju , vibracijsku spektroskopiju , nuklearnu magnetsku rezonanciju i elektronsku paramagnetsku rezonanciju i mnoge druge, ali jedine izravne metode trenutno su metode difrakcije, kao što je X. -analiza zraka i difrakcija neutrona .

Interakcija atoma tijekom stvaranja molekule

Priroda kemijskih veza u molekuli ostala je misterij sve do stvaranja kvantne mehanike – klasična fizika nije mogla objasniti zasićenost i usmjerenost valentnih veza. Temelje teorije kemijske veze postavili su 1927. Heitler i London na primjeru najjednostavnije molekule H 2 . Kasnije su teorija i metode proračuna znatno poboljšane.

Kemijske veze u molekulama velike većine organskih spojeva su kovalentne. Među anorganskim spojevima postoje ionske i donorsko-akceptorske veze, koje se ostvaruju kao rezultat socijalizacije para elektrona atoma. Energija stvaranja molekule iz atoma u mnogim serijama takvih spojeva je približno aditivna. Odnosno, možemo pretpostaviti da je energija molekule zbroj energija njezinih veza koje imaju konstantne vrijednosti u takvim redovima.

Aditivnost energije molekule nije uvijek ispunjena. Primjer kršenja aditivnosti su planarne molekule organskih spojeva s takozvanim konjugiranim vezama, odnosno s višestrukim vezama koje se izmjenjuju s jednostrukim vezama. Snažna delokalizacija p-stanja elektrona dovodi do stabilizacije molekule. Izjednačavanje gustoće elektrona zbog kolektivizacije p- stanja elektrona duž veza izražava se u skraćivanju dvostrukih veza i produljivanju jednostrukih veza. U pravilnom šesterokutu međuugljičnih veza benzena, sve su veze iste i imaju duljinu koja je prosječna između duljine jednostruke i dvostruke veze. Konjugacija veza jasno se očituje u molekularnim spektrima. Suvremena kvantno-mehanička teorija kemijskih veza uzima u obzir delokalizaciju ne samo p - već i s - stanja elektrona, što se opaža u bilo kojoj molekuli.

U ogromnoj većini slučajeva, ukupni spin valentnih elektrona u molekuli je nula. Molekule koje sadrže nesparene elektrone - slobodne radikale (na primjer, atomski vodik H, metil · CH 3 ), obično su nestabilne, jer kada međusobno djeluju, dolazi do značajnog smanjenja energije zbog stvaranja kovalentnih veza . Mogu postojati stabilno na temperaturama kada je prosječna kinetička energija molekule veća ili usporediva s energijom vezanja, ali u isto vrijeme niža od energije razaranja (na primjer, ionizacije) radikala.

Intermolekularne interakcije

Međumolekularna interakcija je interakcija između električno neutralnih molekula u prostoru. Ovisno o polaritetu molekula, priroda međumolekularne interakcije je različita. Priroda potonjeg ostala je nejasna sve do stvaranja kvantne mehanike.

Orijentacijski tip međumolekularne interakcije javlja se između dvije polarne molekule, odnosno onih koje imaju svoj dipolni moment. Interakcija dipolnih momenata određuje rezultirajuću silu – privlačenje ili odbijanje. Ako se dipolni momenti molekula nalaze na istoj liniji, interakcija molekula bit će intenzivnija.

Indukcijski tip međumolekularne interakcije javlja se između jedne polarne i jedne nepolarne molekule. U ovoj vrsti interakcije, polarna molekula polarizira nepolarnu molekulu tako da se naboj nepolarne molekule, suprotan naboju polarne molekule koja djeluje na nju, pomiče do posljednjeg: općenito, pozitivni naboj je pomaknut u smjeru električnog polja koje stvara polarna molekula, a negativni naboj je suprotan. To uzrokuje polarizaciju nepolarne molekule, odnosno fenomen pomaka vezane elektronske ljuske u odnosu na središte pozitivnog naboja.

Disperzivni tip međumolekularne interakcije javlja se između dvije nepolarne molekule. Općenito, dipolni momenti nepolarnih molekula jednaki su nuli, međutim, u određenom trenutku vremena postoji vjerojatnost da će elektroni biti neravnomjerno raspoređeni po cijelom volumenu molekule. Kao rezultat, nastaje trenutni dipolni moment. U ovom slučaju, trenutni dipol ili polarizira susjedne nepolarne molekule, ili stupa u interakciju s trenutnim dipolom druge neutralne molekule.

Električna i optička svojstva molekula

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

Dipolni moment znači nepodudarnost "težišta" pozitivnih i negativnih naboja u molekuli (električna asimetrija molekule). 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