Struktura i svojstva molekula

Sva tijela koja nas okružuju sastoje se od atoma. Atomi se, pak, okupljaju u molekulu. Zbog razlike u molekularnoj strukturi možemo govoriti o supstancijama koje se međusobno razlikuju, oslanjajući se na njihova svojstva i parametre. Molekule i atomi uvijek su u stanju dinamike. Prilikom kretanja, oni se još uvijek ne raspršuju u različitim smjerovima, ali se drže u određenoj strukturi, nego smo dužni postojati tako veliku raznolikost tvari u svijetu oko nas. Koje su ove čestice i kakva su njihova svojstva?

Opći koncepti

Ako počnete s teorijom kvantne mehanike, molekula se ne sastoji od atoma i njihove jezgre i elektrona stalno u interakciji.

Za neke tvari molekula je najmanjičestica koja ima sastav i kemijska svojstva same tvari. Dakle, svojstva molekula sa stanovišta kemije određena su njegovom kemijskom strukturom i sastavom. Ali samo za tvari s pravilom molekularne strukture: kemijske osobine tvari i molekula su jednake. Za neke polimere, na primjer, etilen i polietilen, sastav ne odgovara molekularnom.

Poznato je da svojstva molekula nisu određenasamo broj atoma, njihov tip, ali i konfiguracija, redoslijed veze. Molekula je složena arhitektonska konstrukcija, gdje svaki element stoji na svom mjestu i ima svoje specifične susjede. Atomska struktura može biti više ili manje krut. Svaki atom oscilira u odnosu na njegovu ravnotežnu poziciju.

Konfiguracija i postavke

Događa se da se neki dijelovi molekule rotiraju u odnosu na druge dijelove. Dakle, u procesu toplinskog gibanja, slobodna molekula dobiva bizarne oblike (konfiguracije).

Općenito, svojstva molekula određuju se vezom(njegov tip) između atoma i arhitekture samog molekula (struktura, oblik). Dakle, prije svega opća kemijska teorija razmatra kemijske veze i temelji se na svojstvima atoma.

Uz snažno izraženu polarnost, svojstva molekulaTeško je opisati dvije ili tri konstante korelacije, koje su odlične za nepolarne molekule. Stoga je uveden dodatni parametar s momentom dipoliranja. Ali ova metoda nije uvijek uspješna, jer polarne molekule imaju pojedinačne karakteristike. Također su predloženi parametri za računovodstvo kvantnih učinaka koji su važni pri niskim temperaturama.

Što znamo o molekuli najkvalitetnije tvari na Zemlji?

Od svih tvari na našem planetu, najvišezajednička je voda. Ona, u doslovnom smislu, daje život svemu onome koji postoji na Zemlji. Samo virusi mogu to učiniti bez nje, ostale žive strukture u svom sastavu imaju najveći dio vode. Koje osobine vodene molekule, koje su karakteristične samo za njega, koriste u gospodarskom životu čovjeka i žive prirode Zemlje?

Uostalom, ovo je doista jedinstvena tvar! Skup svojstava svojstvenih vodi, ne može se pohvaliti više od bilo koje supstance.

Voda je glavno otapalo u prirodi. Sve reakcije koje se odvijaju u živim organizmima, na ovaj ili onaj način, javljaju se u vodenom okolišu. To jest, tvari reagiraju kada su u otopljenom stanju.

Voda ima izvrsnu toplinsku snagu, ali niskutoplinska vodljivost. Zahvaljujući takvim svojstvima, možemo ga koristiti kao transport topline. Ovo načelo je dio rashladnog mehanizma velikog broja organizama. U nuklearnoj energiji svojstva molekule vode služila su kao izgovor za upotrebu ove tvari kao rashladnog sredstva. Osim što može biti reaktivni medij za druge tvari, sama voda može ući u reakcije: fotolizu, hidrataciju i druge.

Prirodna čista voda je tekućina koja nema miris, boju i okus. Ali na debljini sloja, veće od 2 metra, boja postaje plava.

Cijela molekula vode je dipol (dva različita pola). To je struktura dipola koja uglavnom određuje neobična svojstva ove tvari. Vodena molekula je diamagnet.

Još jedna zanimljiva nekretnina je odmrznutavoda: njegova molekula dobiva zlatni omjer, a struktura tvari - proporcije zlatnog dijela. Mnoge osobine koje ima molekula vode utvrđene su analizom apsorpcije i emisije prugastog spektra u plinovitoj fazi.

Prirodna znanost i molekularna svojstva

Sve tvari, osim kemijskih, imaju fizikalna svojstva molekula koje čine njihovu strukturu.

U fizikalnoj znanosti koristi se koncept molekulaobjašnjenja svojstava krutina, tekućina i plinova. Sposobnost svih tvari da difundiraju, njihova viskoznost, toplinska vodljivost i druga svojstva određena je mobilnošću molekula. Kada je francuski fizičar Jean Perrin proučavao Brownian pokret, eksperimentalno je dokazao postojanje molekula. Svi živi organizmi postoje zbog finno uravnotežene unutarnje interakcije u strukturi. Sva kemijska i fizikalna svojstva tvari su od temeljne važnosti za prirodnu znanost. Razvoj fizike, kemije, biologije i molekularne fizike doveo je do pojave takve znanosti kao molekularne biologije koja proučava glavne pojave u životu.

Pomoću statističke termodinamike,fizikalna svojstva molekula, koja određuju metode molekularne spektroskopije, u fizičkoj kemiji određuju termodinamička svojstva tvari potrebnih za izračunavanje kemijske ravnoteže i stopa njezina osnivanja.

Koja je razlika između svojstava atoma i molekula među sobom?

Prije svega, atomi se ne pojavljuju u slobodnom stanju.

U molekulama optički spektri su bogatiji. To je zbog niže simetrije sustava i pojave mogućnosti novih rotacija i oscilacija jezgri. U molekuli, ukupna energija se sastoji od tri energije, koje se razlikuju po veličini:

• elektronska ljuska (optička ili ultraljubičasto zračenje);
• oscilacije jezgri (infracrveni dio spektra);
• rotacija molekule kao cjeline (radio frekvencijski raspon).

Atomi emitiraju karakteristične linije spektra, a molekule - prugaste, koje se sastoje od skupa blisko udaljenih linija.

Spektralna analiza

Optički, električni, magnetski i drugiSvojstva molekule određuju se i vezom s funkcijama valova. Podaci o stanjima molekula i vjerojatni prijelaz između njih pokazuju molekularne spektre.

Pojavljuju se prijelazi (elektronski) u molekulamakemijskih veza i strukture njihovih školjaka elektrona. Spektar koji ima veći broj veza ima pojaseve apsorpcije dugih valnih duljina koje pada u vidljivo područje. Ako je tvar stvorena iz takvih molekula, ona ima karakterističnu boju. Sve su organske boje.

Svojstva molekula iste tvarisu iste u svim agregatnim stanjima. To znači da za iste tvari, svojstva molekula tekućih, plinovitih tvari se ne razlikuju od svojstava krutih tvari. Molekula jedne tvari uvijek ima istu strukturu, bez obzira na agregatno stanje same tvari.

Električne osobine

Način na koji se tvar ponaša u električnom polju određena je električnim karakteristikama molekula: polarizabilnosti i konstantnom momentu dipola.

Moment dipoliranja je električna asimetrija molekule. Za molekule koje imaju središte simetrije, poput H₂, ne postoji stalni moment dipoliranja. Sposobnost molekula elektronske ljuske za kretanje pod utjecajem električnog polja, tako da se formira inducirani dipolni moment - to polarizabilnosti. Da bi se utvrdila vrijednost polarizabilnosti i momenta diole, potrebno je izmjeriti permitivnost.

Ponašanje u izmjeničnom električnom poljusvjetlosni val karakterizira optička svojstva tvari, koja su određena polarizacijom molekule ove supstance. Spojeni su izravno s polarizacijom: raspršenje, refrakcija, optička aktivnost i druge pojave molekularne optike.

Često se čuje pitanje: "Što, osim molekula, ovise o svojstvima tvari?" Odgovor na njega je vrlo jednostavan.

Svojstva tvari, osim izometrije i kristalne strukture, određuju se temperaturom okoliša, samom tvari, tlakom, prisutnošću nečistoća.

Kemija molekula

Prije formiranja takve znanosti kao kvantnemehanika, priroda kemijskih veza u molekulama bila je neotkrivena tajna. Klasična fizika nije mogla objasniti smjer i zasićenost valencijskih veza. Nakon stvaranja temeljnih teorijskih informacija o kemijskog vezivanja (1927) za primjer najjednostavnije molekule H2, teorija i metoda izračuna postupno su poboljšani. Na primjer, na temelju široke primjene molekularne orbitalne metode, kvantne kemije, bilo je moguće izračunati međuatomski udaljenost, energija molekula i kemijskim vezama, distribuciju gustoće elektrona i drugih podataka, koji mogu dobro podudaraju s onima eksperimentalnim.

Tvari s istim sastavom, ali različita kemijska struktura i različita svojstva, nazivaju se strukturni izomeri. Imaju različite strukturne formule, ali one su iste molekule.

Poznate su različite vrste strukturnih izomerizma. Razlike su u strukturi ugljikovog kostura, položaju funkcionalne skupine ili položaju višestruke veze. Osim toga, još uvijek postoje prostorni izomeri u kojima su svojstva molekule supstancije karakterizirane istim sastavom i kemijskom strukturom. Stoga imaju iste strukturne i molekularne formule. Razlike su u prostornom obliku molekule. Posebne formule koriste se za predstavljanje različitih prostornih izomera.

Postoje spojevi koji se nazivaju homologi. Oni su slični u strukturi i svojstvima, ali se razlikuju po sastavu jedne ili više CH2 skupina. Sve tvari slične strukture i svojstva ujedinjene su u homološkim serijama. Nakon proučavanja svojstava jednog homologa, može se govoriti o bilo kojem drugom. Skup homologa je serija homologije.

U transformaciji kemijskih struktura, kemijskihdrastično se mijenjaju svojstva molekula. Primjeri i najjednostavnije spojevi: metana, koji uključuju samo jedan atom kisika, postaje otrovni tekućinu nazivom metanol (MeOH - CH3OH). Prema tome, njegova kemijska komplementarnost i djelovanje na žive organizme postaju različiti. Slične, ali složenije promjene nastaju kada se strukture biomolekula modificiraju.

Kemijska molekulska svojstva jako ovise ood strukture i svojstava molekula: od energetskih veza u njemu i geometrije same molekule. Pogotovo radi u biološki aktivnim spojevima. Kakva će konkurentska reakcija prevladati često određuju samo prostorni čimbenici koji zauzvrat ovise o izvornim molekulama (njihovoj konfiguraciji). Jedna molekula koja ima "neugodnu" konfiguraciju uopće neće reagirati, a druga molekula, s istim kemijskim sastavom, ali različitom geometrijom, može trenutačno reagirati.

Veliki broj bioloških procesa,promatrana tijekom rasta i reprodukcije, povezana je s geometrijskim odnosima između produkata reakcije i polaznih materijala. Za informacije: učinak znatnog broja novih lijekova temelji se na sličnoj strukturi molekula bilo kojeg spoja koji je biološki štetan za ljudsko tijelo. Lijek zauzima mjesto štetne molekule i otežava ga.

Korištenje kemijskih formula izražava sastav isvojstva molekula različitih tvari. Na temelju molekulske težine, kemijska analiza, uspostavljen je atomski omjer i dobiva se empirijska formula.

geometrija

Određivanje geometrijske strukture molekuleprovodi se uzimajući u obzir ravnotežni raspored atomskih jezgri. Energija interakcije atoma ovisi o udaljenosti između jezgri atoma. Na vrlo velikim udaljenostima ova energija je nula. Kad se atomi konvergiraju, formira se kemijska veza. Tada su atomi snažno privučeni jedni drugima.

Ako postoji slaba atrakcija, ondaformiranje kemijske veze nije potrebno. Ako atomi počinju približavati udaljenije udaljenosti, elektrostatske odbojne sile počinju djelovati između jezgri. Prepreka za snažnu konvergenciju atoma je nekompatibilnost njihovih unutarnjih školjaka elektrona.

veličina

S golim okom, nemoguće je vidjeti molekule. Tako su male da čak i mikroskop s povećanjem od 1000x neće nam pomoći da ih prepoznamo. Biolozi promatraju bakterije veličine od 0,001 mm. Ali molekule su stotine i tisuće puta manje od njih.

Danas je struktura molekula neke tvariodređene su difrakcijskim metodama: difrakcija neutrona, rendgenska difrakcijska analiza. Tu je i vibracijska spektroskopija i paramagnetska metoda elektrona. Izbor metode ovisi o vrsti tvari i njegovom stanju.

Veličina molekule je uvjetna vrijednost akouzeti u obzir elektronsku ljusku. Točka je na udaljenosti elektrona iz atomskih jezgri. Što su veće, vjerojatnost pronalaženja elektrona molekule je manja. U praksi, veličina molekula može se odrediti uzimanjem u obzir ravnotežne udaljenosti. Ovo je interval na kojem se molekule mogu međusobno zbližiti u gustim pakiranjima u molekularnom kristalu i tekućini.

Duge udaljenosti imaju molekuleatrakcija, a malena, naprotiv, na odbijanje. Stoga, rendgenska difrakcijska analiza molekularnih kristala pomaže u otkrivanju veličine molekule. Upotrebom difuzijskog koeficijenta, toplinskom vodljivosti i viskoznosti plinova, kao i gustoći tvari u kondenziranom stanju, može se odrediti red veličine molekularnih dimenzija.