Struktura in lastnosti molekul

Vsa telesa, ki nas obkrožajo, so sestavljena iz atomov. Atomi se nato združijo v molekulo. Zaradi razlike v molekularni strukturi lahko govorimo o snovi, ki se med seboj razlikujejo in se opirajo na njihove lastnosti in parametre. Molekule in atomi so vedno v stanju dinamike. Med premikanjem se še vedno ne razpršijo v različnih smereh, ampak se držijo v določeni strukturi, kot smo zavezani obstoju tako veliko različnih snovi v svetu okoli nas. Kakšni so ti delci in kakšne so njihove lastnosti?

Splošni koncepti

Če začnemo iz teorije kvantne mehanike, molekula ne sestavlja atomov, ampak njihovih jeder in elektronov, ki nenehno medsebojno komunicirajo.

Za nekatere snovi je molekula najmanjši delec, ki ima sestavo in kemične lastnosti same snovi. Tako lastnosti molekul s stališča kemije določajo njene kemična struktura in sestavo. Toda le za snovi z molekulsko strukturo je pravilo: kemično lastnosti snovi molekule pa so enake. Za nekatere polimere, na primer etilen in polietilen, sestava ne ustreza molekularnemu.

Znano je, da lastnosti molekul ne določajo samo število atomov, njihov tip, ampak tudi konfiguracija, vrstni red povezave. Molekula je kompleksna arhitekturna konstrukcija, kjer vsak element stoji na svojem mestu in ima svoje posebne sosede. Atomska struktura je lahko bolj ali manj toga. Vsak atom oscilira glede na ravnovesni položaj.

Konfiguracija in nastavitve

Nekateri deli molekule se vrtijo glede na druge dele. Tako se v procesu termičnega gibanja prosta molekula pridobi bizarne oblike (konfiguracije).

Na splošno so lastnosti molekul določene z vezjo (njegovim tipom) med atomi in arhitekturo same molekule (struktura, oblika). Tako najprej splošna kemijska teorija obravnava kemične vezi in temelji na lastnostih atomov.

Z izrazito izrazito polarnostjo je težko opisati lastnosti molekul z dvokomponentnimi ali tremi konstantnimi korelacijami, ki so popolnoma primerne za nopolarne molekule. Zato smo uvedli dodaten parameter z dipolnim momentom. Toda ta metoda ni vedno uspešna, saj imajo polarne molekule posamezne značilnosti. Predlagani so bili tudi parametri za obračunavanje kvantnih učinkov, ki so pomembni pri nizkih temperaturah.

Kaj vemo o molekuli najbolj bogate snovi na Zemlji?

Od vseh snovi na našem planetu je najpogostejša voda. To v dobesednem smislu zagotavlja življenje vsem, ki obstaja na Zemlji. Le viri lahko storijo brez njega, druge živi strukturi v svoji sestavi imajo večinoma vodo. Kakšne lastnosti molekule vode, ki je značilna le od nje, se uporabljajo v ekonomskem življenju človeka in živi naravi Zemlje?

Navsezadnje je to resnično edinstvena snov! Skupina lastnosti, ki so lastne vode, se ne more pohvaliti več kot katera koli snov.

Voda je glavno topilo v naravi. Vse reakcije, ki se dogajajo v živih organizmih, se na tak ali drugačen način pojavljajo v vodnem okolju. To pomeni, da snovi reagirajo, kadar so v raztopljenem stanju.

Voda ima odlično toplotno kapaciteto, vendar nizko toplotno prevodnost. Zahvaljujoč takšnim lastnostim ga lahko uporabimo kot prenos toplote. To načelo je del hladilnega mehanizma velikega števila organizmov. V jedrski energiji so lastnosti molekule vode služile kot izgovor za uporabo te snovi kot hladila. Poleg tega, da je lahko reaktivni medij za druge snovi, lahko voda vnese tudi reakcije: fotoliza, hidratacija in drugo.

Naravna čista voda je tekočina, ki nima vonja, barve in okusa. Ampak na debelini plasti, večji od 2 metrov, barva postane modrikasta.

Celotna molekula vode je dipol (dva za razliko od polov). Dipolska struktura, ki v glavnem določa nenavadne lastnosti te snovi. Molekula vode je diamagnet.

Druga zanimiva lastnost je odmrznjena voda: njegova molekula pridobi zlato strukturo sorazmernosti in strukturo snovi - deleži zlatega prereza. Mnoge lastnosti, ki jih ima molekula vode, se določijo z analizo absorpcije in emisije strižnih spektrov v plinski fazi.

Naravne znanosti in molekularne lastnosti

Vse snovi, razen kemičnih, imajo fizikalne lastnosti molekul, ki tvorijo svojo strukturo.

V fizikalnih znanostih se koncept molekul uporablja za razlago lastnosti trdnih snovi, tekočin in plinov. Sposobnost razprševanja vseh snovi, njihova viskoznost, toplotna prevodnost in druge lastnosti določajo mobilnost molekul. Ko je francoski fizik Jean Perrin preučil browniško gibanje, je eksperimentalno dokazal obstoj molekul. Vsi živi organizmi obstajajo zaradi natančno uravnotežene interne interakcije v strukturi. Vse kemijske in fizikalne lastnosti snovi so temeljnega pomena za naravoslovje. Razvoj fizike, kemije, biologije in molekularne fizike je privedel do nastanka takšne znanosti kot molekularne biologije, ki preučuje glavne pojave v življenju.

Z uporabo statistične termodinamike fizikalne lastnosti molekul, ki jih določajo metode molekularne spektroskopije, v fizikalni kemiji določajo termodinamične lastnosti snovi, ki so potrebne za izračun kemičnih ravnotežij in stopenj njegove vzpostavitve.

Kakšna je razlika med lastnostmi atomov in molekul med sabo?

Najprej se atomi ne pojavljajo v prostem stanju.

V molekulah so optični spektri bogatejši. To je posledica nižje simetrije sistema in pojavnosti možnosti novih rotacij in nihanj jeder. V molekuli je skupna energija sestavljena iz treh energij, ki se razlikujejo po velikosti:

• elektronska lupina (optično ali ultravijolično sevanje);
• oscilacije jeder (infrardeči del spektra);
• vrtenje molekule kot celote (radiofrekvenčno območje).

Atomi oddajajo značilne linijske spektre in molekule - črtaste, sestavljene iz množice tesno razmaknjenih črt.

Spektralna analiza

Optične, električne, magnetne in druge lastnosti molekule so določene tudi s povezovanjem z valovne funkcije. Podatki o stanju molekul in verjetni prehod med njimi kažejo molekularne spektre.

Prehodi (elektronski) v molekulah kažejo kemijske vezi in strukturo svojih elektronskih lupin. Spectra, ki imajo večje število vezi, ima pasove dolge valovne dolžine, ki spadajo v vidno področje. Če je snov izdelana iz takšnih molekul, ima značilno barvo. Vse je organskih barvil.

Lastnosti molekul enake snovi so enake v vseh agregatnih stanjih. To pomeni, da se za iste snovi lastnosti molekul tekočih plinastih snovi ne razlikujejo od lastnosti trdnih snovi. Molekula ene snovi ima vedno enako strukturo, ne glede na agregatno stanje same snov.

Električne značilnosti

Način, kako se snov obnaša v električnem polju, je določena z električnimi značilnostmi molekul: polarizacijam in konstantnim dipolnim momentom.

Dipolni moment je električna asimetrija molekule. Za molekule, ki imajo središče simetrije, kot je H₂, ni konstantnega dipolnega trenutka. Sposobnost elektronske lupine molekule, da se premika pod vplivom električnega polja, zaradi česar nastane indukcijski dipolni moment v njej, je polarizabilnost. Da bi našli vrednost polarizabilnosti in dipolnega momenta, je treba izmeriti prožnost.

Obnašanje v izmeničnem električnem polju svetlobnega valovanja je značilno za optične lastnosti snovi, ki jih določajo polarizabilnost molekule te snovi. Povezani so neposredno s polarizacijo: razprševanje, refrakcijo, optično aktivnost in drugi pojavi molekularne optika.

Pogosto se lahko sliši vprašanje: "Kaj, razen molekul, odvisno od lastnosti snovi?" Odgovor na to je precej preprost.

Lastnosti snovi, poleg izometrije in kristalne strukture, določajo temperatura okolja, sama snov, tlak, prisotnost nečistoč.

Kemija molekul

Pred oblikovanjem takšne znanosti kot kvantne mehanike je bila narava kemijskih vezi v molekulih nerazkrita skrivnost. Klasična fizika ni mogla razložiti smeri in zasičenosti valenčnih vezi. Po ustvarjanju temeljna teoretična informacije o kemijske vezave (1927) za primer najenostavnejši molekule H2, smo postopoma izboljšali teorija in metode izračuna. Na primer, temelji na široki uporabi orbitalne metode molekularne, kvantne kemije, je bilo mogoče izračunati interatomic razdaljo, energijo molekul in kemijske vezi, porazdelitev gostote elektronov in drugih podatkov, ki se lahko dobro ujemajo z eksperimentalnimi.

Snovi z isto sestavo, vendar različne kemijske strukture in različne lastnosti, se imenujejo strukturni izomeri. Imajo različne strukturne formule, vendar so enake molekule.

Znane so različne vrste strukturnih izomerizmov. Razlike so v strukturi ogljikovega ogrodja, položaju funkcionalne skupine ali položaju večkratne vezi. Poleg tega še vedno obstajajo prostorski izomeri, v katerih so lastnosti molekule snovi vsebnosti enake sestave in kemične strukture. Zato imajo enake strukturne in molekularne formule. Razlike so v prostorski obliki molekule. Posebne formule se uporabljajo za predstavitev različnih prostorskih izomerov.

Obstajajo spojine, imenovane homologi. Podobne so po strukturi in lastnostih, vendar se v sestavi razlikujejo po eni ali več skupinah CH2. Vse snovi, podobne strukturi in lastnostim, so združene v homologne serije. Po proučevanju lastnosti enega homologa lahko govorimo o vseh drugih. Skupaj homologov je homologna serija.

Pri transformaciji strukture snovi se kemijske lastnosti molekul drastično spremenijo. Primeri so tudi najenostavnejši spojine: metana, ki vsebujejo tudi en kisikov atom, postane strupene tekočine z imenom metanol (MeOH - CH3 OH). Zato se njegova kemijska dopolnjevanje in delovanje na živih organizmih spremenita. Podobne, vendar bolj kompleksne spremembe se pojavijo, ko se spremenijo strukture biomolekul.

Kemične molekularne lastnosti močno odvisna od strukture in lastnosti molekul iz energetskih povezav v njem, in geometrijo same molekule. Še posebej deluje v biološko aktivnih spojinah. Kaj konkurenčna reakcija bo prevladujoča, je pogosto določena le z prostorskih dejavnikov, ki so odvisni, v zameno, od prvotnih molekul (konfiguracija). Molekula, ki ima "neprijeten" konfiguracijo, ne vstopi v reakcijo, in drugega z isto kemično sestavo, vendar drugačno geometrijo lahko takoj odzove reakciji.

Veliko število bioloških procesov, ki jih opazimo med rastjo in razmnoževanjem, je povezano z geometrijskimi razmerji med reakcijskimi produkti in izhodnimi materiali. Za informacije: delovanje velikega števila novih zdravil temelji na podobni strukturi molekul katerekoli sestavine, ki je biološko škodljiva za človeško telo. Zdravilo zavzame mesto škodljive molekule in otežuje njegovo delovanje.

Uporaba kemičnih formul izrazi sestavo in lastnosti molekul različnih snovi. Na podlagi molekulske mase, kemijska analiza ugotovimo atomsko razmerje in izdelamo empirično formulo.

Geometrija

Določitev geometrijske strukture molekule poteka ob upoštevanju ravnovesne razporeditve atomskih jeder. Energija medsebojnega delovanja atomov je odvisna od razdalje med jedri atomov. Na zelo velikih razdaljah je ta energija enaka nič. Ko se atomi zbližujejo, začne nastajati kemijska vez. Potem se atomi močno privlačijo med seboj.

Če obstaja šibka privlačnost, nastanek kemične vezi ni potreben. Če se atomi približajo bližnjim razdaljam, elektrostatične odbojne sile začnejo delovati med jedri. Ovira za močno konvergenco atomov je nezdružljivost njihovih notranjih elektronskih lupin.

Dimenzije

S prostim očesom ni mogoče videti molekul. So tako majhni, da nam niti mikroskop z 1000-kratno povečavo ne bo pomagal, da bi jih zaznali. Biologi opazujejo bakterije velikosti 0,001 mm. Toda molekule so stotine in tisočkrat manjše od njih.

Danes se struktura molekul določene snovi določi z difrakcijskimi metodami: difrakcijo nevtronov, rentgensko difrakcijsko analizo. Obstaja tudi vibracijska spektroskopija in elektronska paramagnetna metoda. Izbira metode je odvisna od vrste snovi in ​​njenega stanja.

Velikost molekule je pogojna vrednost, če upoštevamo elektronsko lupino. Bistvo je na razdaljah elektronov iz atomskih jeder. Čim večji so, verjetnost, da bi našli molekule elektrona, manjša. V praksi lahko velikost molekul določimo z upoštevanjem ravnovesne razdalje. To je interval, na katerega lahko same molekule tesno sodelujejo v gostem pakiranju v molekularnem kristalu in v tekočini.

Dolge razdalje imajo molekule do gravitacije in majhne, ​​nasprotno, odbojnosti. Zato rentgenska difrakcijska analiza molekularnih kristalov pomaga najti velikost molekule. Z uporabo difuzijskega koeficienta, toplotne prevodnosti in viskoznosti plinov ter gostote snovi v kondenziranem stanju lahko določimo red velikosti molekulskih dimenzij.