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. Ipak, oni ne raspršiti u različitim smjerovima, te se održava u određenom strukturom, dugujemo postojanje takve veliku raznolikost tvari u cijelom svijetu oko nas. Koje su ove čestice i kakva su njihova svojstva?

Opći koncepti

Ako krenemo od teorije kvantne mehanike, molekula se ne sastoji od atoma, već njihovih jezgri i elektrona, koji stalno međusobno komuniciraju.

Za neke tvari, molekula je najmanja čestica koja ima sastav i kemijske osobine same tvari. Dakle, svojstva molekula sa stanovišta kemije određena su njegovim kemijska struktura i sastav. Ali samo za tvari s molekularnom strukturom je pravilo: kemijska svojstva tvari i molekule su iste. Za neke polimere, na primjer, etilen i polietilen, sastav ne odgovara molekularnom.

Poznato je da svojstva molekula određuju ne samo broj atoma, njihov tip, nego 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 određena su vezom (njenom vrstom) između atoma i arhitekture same molekule (struktura, oblik). Dakle, prije svega opća kemijska teorija razmatra kemijske veze i temelji se na svojstvima atoma.

S izraženim polarnostima, svojstva molekula teško se mogu opisati s dvostrukom ili trostrukom korelacijom koja je savršeno pogodna 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 najčešće 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 samo one karakteristične, 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 događaju 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 nisku toplinsku 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 svojstva je odmrznuta voda: njegova molekula dobiva zlatnu strukturu i strukturu tvari - proporcije zlatnog dijela. Mnoga svojstva koja molekula vode posjeduju utvrđuju se analizom apsorpcije i emisije prugastog spektra u plinskoj fazi.

Prirodna znanost i molekularna svojstva

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

U fizikalnoj znanosti, koncept molekula se koristi za objašnjavanje 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.

Koristeći statističke termodinamike, fizikalna svojstva molekula koje određuju tehnika molekularne spektroskopije fizikalne kemije utvrditi je termodinamička svojstva tvari su potrebne za izračun kemijske ravnoteže i stope njegova 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

Optička, električna, magnetska i druga svojstva molekule također se određuju povezivanjem s valne funkcije. Podaci o stanjima molekula i vjerojatni prijelaz između njih pokazuju molekularne spektre.

Prijelazi (elektronički) u molekulama pokazuju kemijske veze i strukturu njihovih elektronskih školjaka. 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 je to organskih boja.

Svojstva molekula iste tvari su jednake 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 tvari ponaša u električnom polju određuje se električnim karakteristikama molekula: polarizabilnosti i konstantnom momentu dipola.

Moment dipoliranja je električna asimetrija molekule. Za molekule koje imaju središte simetrije, poput H₂, nema konstantnog momenta dipoliranja. Sposobnost elektronske ljuske molekule da se kreće pod utjecajem električnog polja, zbog čega se u njemu formira jedan inducirani moment dipoliranja, je polarizacija. Da bi se utvrdila vrijednost polarizabilnosti i momenta diole, potrebno je izmjeriti permitivnost.

Ponašanje u izmjeničnom električnom polju svjetlosnog vala karakterizira optička svojstva tvari koja se određuje polarizacijom molekule ove supstancije. 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 to je prilično jednostavan.

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

Kemija molekula

Prije formiranja takve znanosti, kvantne mehanike, prirode kemijske veze u molekulama su neriješeni tajne. 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 strukture tvari, kemijska svojstva molekula drastično se mijenjaju. 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 o strukturi i svojstvima molekula: na energetskim vezama u njemu i na geometriji same molekule. Pogotovo radi u biološki aktivnim spojevima. Kakva će konkurentska reakcija prevladati često određuju samo prostorni čimbenici, koji zauzvrat ovise o izvornim molekulama (njihovim konfiguracijama). Molekula ima „neugodan” konfiguracija, ne ulazi u reakciju, a drugi s istim kemijskim sastavom, ali na drugačiji geometrije može reagirati odmah na reakciju.

Veliki broj bioloških procesa promatranih tijekom rasta i reprodukcije povezan je s geometrijskim odnosima između produkata reakcije i polaznih materijala. Za informacije: djelovanje 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 i svojstva molekula različitih tvari. Na temelju molekulske težine, kemijska analiza uspostavljen je atomski omjer i napravljena je empirijska formula.

geometrija

Određivanje geometrijske strukture molekule izvodi 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, stvaranje 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 određene tvari određena 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, ako uzmemo 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.

Dugim udaljenostima molekule imaju gravitaciju, a male, 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.