molekula

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje

Molekula ( novolat molecula, pomanjševalnica od latinskih molov - masa [1] ) je električno nevtralna delcev tvorjen iz dveh ali več atomi povezani s kovalentnimi vezmi [2] [3] [4] [5] [6] [7] . V fiziki molekule vključujejo tudi enoatomske molekule , torej proste (kemično nevezane) atome (na primer inertni plini , živo srebro itd.). Dodelitev molekulam enoatomskih molekul, to je prostih atomov , na primer enoatomskih plinov , vodi do kombinacije konceptov "molekula" in "atom" [8] . Običajno se domneva, da so molekule nevtralne (ne nosijo električnih nabojev) in ne nosijo neparnih elektronov (vse valence so nasičene); nabite molekule imenujemo molekularni ioni , molekule z množico, ki ni enota (to je z neparnimi elektroni in nenasičenimi valencami ), se imenujejo radikali .

Molekule z relativno visoko molekulsko maso , sestavljene iz ponavljajočih se fragmentov z nizko molekulsko maso , imenujemo makromolekule [9] .

Z vidika kvantne mehanike [10] je molekula sistem ne atomov, temveč elektronov in atomskih jeder, ki medsebojno delujejo.

Strukturne značilnosti molekul določajo fizikalne lastnosti snovi, ki jo sestavljajo te molekule.

Snovi, ki ohranjajo molekularno strukturo v trdnem stanju, vključujejo na primer vodo , ogljikov monoksid (IV) in številne organske snovi. Zanje je značilno nizko tališče in vrelišče. Večina trdnih (kristalnih) anorganskih snovi ni sestavljena iz molekul, temveč iz drugih delcev (ionov, atomov) in obstaja v obliki makroteles (kristal natrijevega klorida , kos bakra itd.).

Sestavo molekul kompleksnih snovi izrazimo s kemičnimi formulami .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Kratek pregled različnih družin osnovnih in sestavljenih delcev ter teorij, ki opisujejo njihove interakcije . Elementarni delci na levi so fermioni , na desni pa bozoni . ( Pogoji - hiperpovezave do člankov VP )

Zgodba

Na mednarodnem kongresu kemikov v Karlsruheju leta 1860 so bile sprejete definicije pojmov molekula in atom. Molekula je bila opredeljena kot najmanjši delec kemikalije, ki ima vse njene kemične lastnosti.

Klasična teorija kemijske strukture

Model kroglične palice molekule diborana B 2 H 6 . Atomi bora so prikazani v roza, atomi vodika - v sivi.
Osrednji "premostitveni" enovalentni vodikovi atomi tvorijo tricentrične vezi s sosednjimi atomi bora
Prostorska struktura molekule diborana .
Dolžine vezi so prikazane sivo, vezni koti so obarvani.
Diedrski kot med ravninami perifernih in premostitvenih trojk jeder HBH je 90 °

V klasični teoriji kemijske strukture se molekula obravnava kot najmanjši stabilen delec snovi, ki ima vse svoje kemične lastnosti. V tej definiciji molekule vključujejo tudi enoatomske delce (zlasti molekule inertnih plinov )

Molekula dane snovi ima konstantno sestavo, to je enako število atomov, združenih s kemičnimi vezmi , medtem ko je kemična individualnost molekule določena natančno s kombinacijo in konfiguracijo kemičnih vezi, to je valenčnih interakcij med njenimi sestavnih atomov, ki zagotavljajo njegovo stabilnost in osnovne lastnosti v dokaj širokem razponu zunanjih pogojev. Nevalentne interakcije (na primer vodikove vezi ), ki lahko pogosto bistveno vplivajo na lastnosti molekul in snovi, ki iz njih tvorijo, se ne upoštevajo kot merilo za individualnost molekule.

Osrednji položaj klasične teorije je določba o kemični vezi, pri čemer so dovoljene ne le dvocentrične vezi, ki združujejo pare atomov, temveč tudi prisotnost večcentričnih (običajno tricentričnih, včasih štiricentričnih) vezi z "premostitvenimi" " atomi - kot so na primer premostitveni vodikovi atomi v boranih , narava kemične vezi se v klasični teoriji ne upošteva - le takšne integralne značilnosti kot vezni koti , diedrski koti (koti med ravninami, ki jih tvorijo trojke jeder), upoštevajo se dolžine vezi in njihove energije .

Tako je v klasični teoriji molekula predstavljena kot dinamični sistem, v katerem se atomi obravnavajo kot materialne točke in v katerem lahko atomi in z njimi povezane skupine atomov izvajajo mehanska vrtilna in vibracijska gibanja glede na neko ravnotežno jedrsko konfiguracijo, ki ustreza minimalni energiji. molekule in se obravnava kot sistem harmoničnih oscilatorjev .

Molekula je sestavljena iz atomov, natančneje, atomskih jeder, obdanih z določenim številom notranjih elektronov, in zunanjih valenčnih elektronov, ki tvorijo kemične vezi. Notranji elektroni atomov običajno ne sodelujejo pri tvorbi kemičnih vezi. Sestava in struktura molekul snovi ni odvisna od načina njene priprave.

Atomi se v molekuli v večini primerov združujejo s kemičnimi vezmi. Praviloma takšno vez tvorijo en, dva ali trije pari elektronov v skupni lasti dveh atomov, ki tvorijo skupni elektronski oblak, katerega oblika je opisana z vrsto hibridizacije. Molekula ima lahko pozitivno in negativno nabite atome ( ione ).

Sestavo molekule posredujemo s kemičnimi formulami. Empirična formula je določena na podlagi atomskega razmerja elementov snovi in molekulske mase .

Geometrijsko strukturo molekule določa ravnotežna razporeditev atomskih jeder. Energija interakcije atomov je odvisna od razdalje med jedri. Na zelo velikih razdaljah je ta energija enaka nič. Če se kemična vez tvori, ko se atomi približajo drug drugemu, potem se atomi močno privlačijo med seboj (šibka privlačnost opazimo brez tvorbe kemične vezi), z nadaljnjim približevanjem začnejo delovati elektrostatične odbojne sile atomskih jeder. Ovira za močan pristop atomov je tudi nezmožnost ujemanja njihovih notranjih elektronskih lupin.

Vsakemu atomu v določenem valenčnem stanju v molekuli lahko pripišemo določen atomski ali kovalentni polmer (v primeru ionske vezi ionski polmer), ki označuje velikost elektronske lupine atoma (iona), ki tvori kemikalijo. vez v molekuli. Velikost elektronske lupine molekule je pogojna vrednost. Obstaja verjetnost (čeprav zelo majhna), da najdemo elektrone molekule na večji razdalji od njenega atomskega jedra. Praktične dimenzije molekule so določene z ravnotežno razdaljo, na kateri jih je mogoče približati skupaj z gosto pakiranjem molekul v molekularnem kristalu in v tekočini . Na večjih razdaljah se molekule med seboj privlačijo, na manjših pa odbijajo. Molekularne velikosti je mogoče najti z analizo rentgenske difrakcije molekularnih kristalov. Vrstni red teh dimenzij je mogoče določiti iz difuzijskih koeficientov, toplotne prevodnosti in viskoznosti plinov ter iz gostote snovi v kondenziranem stanju. Razdaljo, na kateri se lahko valenčni nevezani atomi istih ali različnih molekul približajo drug drugemu, lahko označimo s povprečnimi vrednostmi tako imenovanih van der Waalsovih polmerov .

Van der Waalsov polmer znatno presega kovalentni polmer. Ob poznavanju vrednosti van der Waalsovih, kovalentnih in ionskih polmerov je mogoče sestaviti vizualne modele molekul, ki bi odražali obliko in velikost njihovih elektronskih lupin.

Kovalentne kemične vezi v molekuli se nahajajo pod določenimi koti, ki so odvisni od stanja hibridizacije atomskih orbital. Torej, za molekule nasičenih organskih spojin je značilna tetraedrska (tetraedrska) razporeditev vezi, ki jih tvori ogljikov atom, za molekule z dvojno vezjo ( C = C ) - planarna razporeditev ogljikovih atomov, za molekule spojin s trojno vez ( C C ) - linearna razporeditev vezi ... Tako ima poliatomska molekula določeno konfiguracijo v prostoru, torej določeno geometrijo razporeditve vezi, ki je ni mogoče spremeniti, ne da bi jih pretrgali. Za molekulo je značilna ena ali druga simetrija razporeditve atomov. Če molekula nima ravnine in središča simetrije, lahko obstaja v dveh konfiguracijah, ki sta zrcalni podobi ena druge (zrcalni antipodi ali stereoizomeri ). Vse najpomembnejše biološke funkcionalne snovi v živi naravi obstajajo v obliki enega določenega stereoizomera.

Molekule, ki vsebujejo enojne vezi ali sigma vezi , lahko obstajajo v različnih konformacijah, ki izhajajo iz rotacije atomskih skupin okoli enojnih vezi. Pomembne lastnosti makromolekul sintetičnih in bioloških polimerov določajo prav njihove konformacijske lastnosti.

Kvantna kemijska teorija kemijske strukture

V kvantni kemijski teoriji kemijske strukture so glavni parametri, ki določajo individualnost molekule, njena elektronska in prostorska (stereokemična) konfiguracija. V tem primeru se kot elektronska konfiguracija, ki določa lastnosti molekule, vzame konfiguracija z najnižjo energijo, to je osnovno energijsko stanje.

Predstavitev molekularne strukture

Molekule so sestavljene iz elektronov in atomskih jeder, lokacija slednjih v molekuli je posredovana s strukturno formulo (za prenos sestave se uporablja tako imenovana bruto formula ). Molekule beljakovin in nekaterih umetno sintetiziranih spojin lahko vsebujejo na stotine tisoč atomov. Polimerne makromolekule se obravnavajo ločeno.

Molekule so predmet preučevanja teorije strukture molekul , kvantne kemije , katere aparatura aktivno uporablja dosežke kvantne fizike , vključno z njenimi relativističnimi vejami. Prav tako se trenutno razvija tako področje kemije, kot je molekularno oblikovanje . Za določitev strukture molekul določene snovi ima sodobna znanost ogromen nabor orodij: elektronska spektroskopija , vibracijska spektroskopija , jedrska magnetna resonanca in elektronska paramagnetna resonanca in številne druge, vendar so trenutno edine neposredne metode difrakcijske metode, kot je X. -analiza žarkov in nevtronska difrakcija .

Interakcija atomov med tvorbo molekule

Narava kemičnih vezi v molekuli je ostala skrivnost do nastanka kvantne mehanike – klasična fizika ni mogla razložiti nasičenosti in usmerjenosti valenčnih vezi. Temelje teorije kemijske vezi sta leta 1927 postavila Heitler in London na primeru najpreprostejše molekule H 2 . Kasneje sta bili teorija in metode izračunov bistveno izboljšani.

Kemične vezi v molekulah velike večine organskih spojin so kovalentne. Med anorganskimi spojinami so ionske in donorsko-akceptorske vezi, ki nastanejo kot posledica socializacije para elektronov atoma. Energija tvorbe molekule iz atomov v mnogih serijah takšnih spojin je približno aditivna. To pomeni, da lahko domnevamo, da je energija molekule vsota energij njenih vezi, ki imajo v takšnih vrsticah konstantne vrednosti.

Aditivnost energije molekule ni vedno izpolnjena. Primer kršitve aditivnosti so planarne molekule organskih spojin s tako imenovanimi konjugiranimi vezmi, to je z več vezmi, ki se izmenjujejo z enojnimi vezmi. Močna delokalizacija p-stanj elektronov vodi do stabilizacije molekule. Izenačenje elektronske gostote zaradi kolektivizacije p- stanj elektronov vzdolž vezi se izraža v skrajšanju dvojnih vezi in podaljševanju enojnih. V pravilnem šesterokotniku medogljikovih vezi benzena so vse vezi enake in imajo povprečno dolžino med dolžino enojne in dvojne vezi. Konjugacija vezi se jasno kaže v molekularnih spektrih. Sodobna kvantno-mehanska teorija kemičnih vezi upošteva delokalizacijo ne le p - ampak tudi s - stanj elektronov, ki jo opazimo v kateri koli molekuli.

V veliki večini primerov je skupni spin valenčnih elektronov v molekuli enak nič. Molekule, ki vsebujejo neparne elektrone - proste radikale (na primer atomski vodik H, metil · CH 3 ), so običajno nestabilne, saj pri medsebojnem delovanju pride do znatnega zmanjšanja energije zaradi tvorbe kovalentnih vezi . Stabilno lahko obstajajo pri temperaturah, ko je povprečna kinetična energija molekule večja ali primerljiva z vezno energijo, a hkrati nižja od energije uničenja (na primer ionizacije) radikala.

Medmolekularne interakcije

Medmolekulska interakcija je interakcija med električno nevtralnimi molekulami v prostoru. Glede na polarnost molekul je narava medmolekularne interakcije različna. Narava slednjega je ostala nejasna do nastanka kvantne mehanike.

Orientacijski tip medmolekularne interakcije se pojavi med dvema polarnima molekulama, torej tistima, ki imata svoj dipolni moment. Interakcija dipolnih momentov določa nastalo silo – privlačnost ali odboj. Če se dipolni momenti molekul nahajajo na isti črti, bo interakcija molekul intenzivnejša.

Indukcijska vrsta medmolekularne interakcije se pojavi med eno polarno in eno nepolarno molekulo. Pri tej vrsti interakcije polarna molekula polarizira nepolarno molekulo, tako da se naboj nepolarne molekule, nasproti naboju polarne molekule, ki deluje nanjo, premakne do zadnjega: na splošno je pozitivni naboj se premakne v smeri električnega polja, ki ga ustvarja polarna molekula, negativni naboj pa je nasproten. To povzroči polarizacijo nepolarne molekule, to je pojav premika vezane elektronske lupine glede na središče pozitivnega naboja.

Med dvema nepolarnima molekulama se pojavi disperziven tip medmolekularne interakcije. Na splošno so dipolni momenti nepolarnih molekul enaki nič, vendar v določenem trenutku obstaja verjetnost, da bodo elektroni neenakomerno porazdeljeni po celotnem volumnu molekule. Posledično nastane trenutni dipolni moment. V tem primeru trenutni dipol bodisi polarizira sosednje nepolarne molekule ali pa interagira s trenutnim dipolom druge nevtralne molekule.

Električne in optične lastnosti molekul

Obnašanje snovi v električnem polju je odvisno od glavnih električnih značilnosti molekul – konstantnega dipolnega momenta in polarizabilnosti.

Dipolni moment pomeni nesovpadanje »težišča« pozitivnih in negativnih nabojev v 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