Молекула

От Уикипедия, свободната енциклопедия
Отидете на навигация Отидете на търсене

Молекула ( novolat molecula , умалително от латински moles - mass [1] ) е електрически неутрална частица, образувана от два или повече атома, свързани с ковалентни връзки [2] [3] [4] [5] [6] [7] . Във физиката , молекулите включват и едноатомни молекули , тоест свободни (химически несвързани) атоми (например инертни газове , живак и др.). Приписването на молекули на едноатомни молекули, тоест свободни атоми , например едноатомни газове , води до комбиниране на понятията "молекула" и "атом" [8] . Обикновено се приема, че молекулите са неутрални (не носят електрически заряди) и не носят несдвоени електрони (всички валентности са наситени); заредените молекули се наричат ​​молекулярни йони , молекули с множество различни от единици (тоест с несдвоени електрони и ненаситени валентности ) се наричат радикали .

Молекулите с относително високо молекулно тегло , състоящи се от повтарящи се фрагменти с ниско молекулно тегло , се наричат макромолекули [9] .

От гледна точка на квантовата механика [10], молекулата е система не от атоми, а от електрони и атомни ядра, взаимодействащи помежду си.

Структурните особености на молекулите определят физичните свойства на веществото, състоящо се от тези молекули.

Веществата, които запазват молекулярната структура в твърдо състояние, включват, например, вода , въглероден оксид (IV) и много органични вещества. Характеризират се с ниски точки на топене и кипене. По-голямата част от твърдите (кристални) неорганични вещества не се състоят от молекули, а от други частици (йони, атоми) и съществуват под формата на макротела (кристал натриев хлорид , парче мед и др.).

Съставът на молекулите на сложните вещества се изразява с помощта на химични формули .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Кратък преглед на различните семейства елементарни и сложни частици и теории, описващи техните взаимодействия . Елементарните частици отляво са фермиони , отдясно са бозони . ( Условия - хипервръзки към статии на VP )

История

На международния конгрес на химиците в Карлсруе през 1860 г. са приети дефиниции на понятията молекула и атом. Молекулата е дефинирана като най-малката частица от химикал, която притежава всичките му химични свойства.

Класическа теория на химическата структура

Модел с кълбовиден прът на молекулата диборан B 2 H 6 . Борните атоми са показани в розово, водородните атоми - в сиво.
Централните "мостови" едновалентни водородни атоми образуват трицентрови връзки със съседни борни атоми
Пространствена структура на молекулата на диборана .
Дължините на връзката са показани в сиво, ъглите на свързване са оцветени.
Двугранният ъгъл между равнините на периферните и мостовите триплети на ядрата на HBH е 90 °

В класическата теория на химическата структура, молекулата се счита за най-малката стабилна частица на вещество, което притежава всичките си химични свойства. В тази дефиниция молекулите включват и едноатомни частици (по-специално молекули на инертни газове )

Молекулата на дадено вещество има постоянен състав, тоест същия брой атоми, обединени от химични връзки , докато химическата индивидуалност на молекулата се определя точно от комбинацията и конфигурацията на химическите връзки, тоест валентните взаимодействия между нейните съставни атоми, които осигуряват неговата стабилност и основни свойства в доста широк диапазон от външни условия. Невалентните взаимодействия (например водородни връзки ), които често могат значително да повлияят на свойствата на молекулите и образуваното от тях вещество, не се вземат предвид като критерий за индивидуалността на молекулата.

Централната позиция на класическата теория е разпоредбата за химическата връзка, като се допускат не само двуцентрови връзки, обединяващи двойки атоми, но и наличието на многоцентрови (обикновено трицентрови, понякога четирицентрови) връзки с "мостове "атоми - като например свързващи водородни атоми в борани , естеството на химичната връзка не се разглежда в класическата теория - само такива интегрални характеристики като ъгли на връзката , диедрални ъгли (ъгли между равнините, образувани от тройки ядра), дължините на връзките и тяхната енергия се вземат предвид.

По този начин, в класическата теория, молекулата се представя като динамична система, в която атомите се разглеждат като материални точки и в която атомите и свързаните групи от атоми могат да извършват механични ротационни и вибрационни движения спрямо някаква равновесна ядрена конфигурация, съответстваща на минималната енергия на молекулата и се разглежда като система от хармонични осцилатори .

Молекулата се състои от атоми, или по-точно, от атомни ядра, заобиколени от определен брой вътрешни електрони, и външни валентни електрони, които образуват химически връзки. Вътрешните електрони на атомите обикновено не участват в образуването на химични връзки. Съставът и структурата на молекулите на дадено вещество не зависят от метода на неговото получаване.

Атомите се комбинират в молекула в повечето случаи чрез химични връзки. По правило такава връзка се образува от една, две или три двойки електрони, съвместно притежавани от два атома, образувайки общ електронен облак, чиято форма се описва от вида на хибридизацията. Една молекула може да има положително и отрицателно заредени атоми ( йони ).

Съставът на молекулата се предава чрез химични формули. Емпиричната формула се установява на базата на атомното съотношение на елементите на веществото и молекулното тегло .

Геометричната структура на молекулата се определя от равновесното подреждане на атомните ядра. Енергията на взаимодействието на атомите зависи от разстоянието между ядрата. На много големи разстояния тази енергия е нула. Ако се образува химическа връзка, когато атомите се приближават един към друг, тогава атомите са силно привлечени един към друг (слабо привличане се наблюдава без образуването на химическа връзка), с по-нататъшно приближаване започват да действат електростатичните отблъскващи сили на атомните ядра. Пречка за силното приближаване на атомите е и невъзможността да съвпаднат техните вътрешни електронни обвивки.

На всеки атом в определено валентно състояние в молекула може да бъде приписан определен атомен или ковалентен радиус (в случай на йонна връзка, йонен радиус), който характеризира размера на електронната обвивка на атома (йона), образуващ химикал връзка в молекулата. Размерът на електронната обвивка на молекулата е условна стойност. Има вероятност (макар и много малка) за намиране на електроните на молекулата на по-голямо разстояние от нейното атомно ядро. Практическите размери на една молекула се определят от равновесното разстояние, на което те могат да бъдат сближени с плътна опаковка от молекули в молекулен кристал и в течност . На по-големи разстояния молекулите се привличат една към друга, на по-малки разстояния се отблъскват. Молекулните размери могат да бъдат намерени с помощта на рентгенов дифракционен анализ на молекулни кристали. Редът на големината на тези размери може да се определи от коефициентите на дифузия, топлопроводимостта и вискозитета на газовете и от плътността на веществото в кондензирано състояние. Разстоянието, на което валентните несвързани атоми на едни и същи или различни молекули могат да се доближат един до друг, може да се характеризира със средните стойности на така наречените радиуси на Ван дер Ваалс .

Радиусът на Ван дер Ваалс значително надвишава ковалентния радиус. Познавайки стойностите на ван дер Ваалс, ковалентен и йонен радиус, е възможно да се конструират визуални модели на молекули, които да отразяват формата и размера на техните електронни обвивки.

Ковалентните химични връзки в една молекула са разположени под определени ъгли, които зависят от състоянието на хибридизация на атомните орбитали. И така, молекулите на наситените органични съединения се характеризират с тетраедрично (тетраедрично) подреждане на връзките, образувани от въглероден атом, за молекули с двойна връзка ( C = C ) - равнинно подреждане на въглеродни атоми, за молекули на съединения с тройна връзка ( C C ) - линейно подреждане на връзките ... По този начин една многоатомна молекула има определена конфигурация в пространството, тоест определена геометрия на подреждането на връзките, която не може да бъде променена, без да ги разруши. Молекулата се характеризира с една или друга симетрия на подреждането на атомите. Ако една молекула няма равнина и център на симетрия, тогава тя може да съществува в две конфигурации, които са огледални изображения една на друга (огледални антиподи или стереоизомери ). Всички най-важни биологични функционални вещества в живата природа съществуват под формата на един определен стереоизомер.

Молекулите, съдържащи единични връзки или сигма връзки , могат да съществуват в различни конформации, произтичащи от въртенето на атомните групи около единични връзки. Важните характеристики на синтетичните и биологични полимерни макромолекули се определят именно от техните конформационни свойства.

Квантова химическа теория на химическата структура

В квантовата химична теория на химическата структура основните параметри, които определят индивидуалността на една молекула, са нейните електронни и пространствени (стереохимични) конфигурации. В този случай конфигурацията с най-ниска енергия, тоест основното енергийно състояние, се приема като електронна конфигурация, която определя свойствата на молекулата.

Представяне на молекулярната структура

Молекулите се състоят от електрони и атомни ядра, като местоположението на последните в молекулата се предава от структурната формула (т.нар. брутна формула се използва за прехвърляне на състава). Молекулите на протеините и някои изкуствено синтезирани съединения могат да съдържат стотици хиляди атоми. Полимерните макромолекули се разглеждат отделно.

Молекулите са обект на изследване на теорията за структурата на молекулите , квантовата химия , чийто апарат активно използва постиженията на квантовата физика , включително нейните релативистки клонове. Също така в момента се развива такава област на химията като молекулярния дизайн . За да определи структурата на молекулите на определено вещество, съвременната наука разполага с колосален набор от инструменти: електронна спектроскопия , вибрационна спектроскопия , ядрено-магнитен резонанс и електронен парамагнитен резонанс и много други, но единствените директни методи в момента са дифракционни методи, като X -лъчев анализ и неутронна дифракция .

Взаимодействие на атомите по време на образуването на молекула

Природата на химичните връзки в една молекула остава загадка до създаването на квантовата механика – класическата физика не може да обясни насищането и насочеността на валентните връзки. Основите на теорията за химическото свързване са положени през 1927 г. от Хайтлер и Лондон с помощта на примера на най-простата молекула H 2 . По-късно теорията и методите на изчисленията са значително подобрени.

Химичните връзки в молекулите на по-голямата част от органичните съединения са ковалентни. Сред неорганичните съединения има йонни и донорно-акцепторни връзки, които се реализират в резултат на социализацията на двойка електрони на атома. Енергията на образуване на молекула от атоми в много серии от такива съединения е приблизително адитивна. Тоест можем да приемем, че енергията на молекулата е сумата от енергиите на нейните връзки, които имат постоянни стойности в такива редове.

Адитивността на енергията на молекулата не винаги е изпълнена. Пример за нарушение на адитивността са равнинни молекули на органични съединения с така наречените конюгирани връзки, тоест с множество връзки, които се редуват с единични връзки. Силната делокализация на р-състоянията на електроните води до стабилизиране на молекулата. Изравняването на електронната плътност поради колективизация на p- състояния на електроните по връзките се изразява в скъсяване на двойни връзки и удължаване на единични. В правилния шестоъгълник от междувъглеродни връзки на бензол всички връзки са еднакви и имат дължина, която е средна между дължината на единичната и двойната връзка. Конюгирането на връзките се проявява ясно в молекулярните спектри. Съвременната квантово-механична теория на химичните връзки взема предвид делокализацията не само на p- , но и на s- състояния на електроните, което се наблюдава във всякакви молекули.

В преобладаващото мнозинство от случаите общият спин на валентните електрони в една молекула е нула. Молекулите, съдържащи несдвоени електрони - свободни радикали (например атомен водород H, метил · CH 3 ), обикновено са нестабилни, тъй като когато взаимодействат една с друга, настъпва значително намаляване на енергията поради образуването на ковалентни връзки . Те могат да съществуват стабилно при температури, когато средната кинетична енергия на молекулата е по-голяма или сравнима с енергията на свързване, но в същото време по-ниска от енергията на разрушаване (например йонизация) на радикала.

Междумолекулни взаимодействия

Междумолекулното взаимодействие е взаимодействието между електрически неутрални молекули в пространството. В зависимост от полярността на молекулите естеството на междумолекулното взаимодействие е различно. Природата на последното остава неясна до създаването на квантовата механика.

Ориентационният тип междумолекулно взаимодействие възниква между две полярни молекули, тоест тези, които имат свой собствен диполен момент. Взаимодействието на диполните моменти определя резултантната сила – привличане или отблъскване. Ако диполните моменти на молекулите са разположени на една и съща линия, взаимодействието на молекулите ще бъде по-интензивно.

Индукционният тип междумолекулно взаимодействие възниква между една полярна и една неполярна молекула. При този тип взаимодействие полярна молекула поляризира неполярна молекула, така че зарядът на неполярната молекула, противоположен на заряда на полярната молекула, действаща върху нея, се измества до последно: като цяло, положителният заряд се измества в посока на електрическото поле, създадено от полярната молекула, а отрицателният заряд е противоположен. Това причинява поляризация на неполярна молекула, тоест явлението на изместване на свързаната електронна обвивка спрямо центъра на положителния заряд.

Между две неполярни молекули възниква дисперсионен тип междумолекулно взаимодействие. Като цяло диполните моменти на неполярните молекули са равни на нула, но в определен момент от време има вероятност електроните да бъдат разпределени неравномерно в целия обем на молекулата. В резултат на това възниква моментален диполен момент. В този случай един моментен дипол или поляризира съседни неполярни молекули, или взаимодейства с моментен дипол на друга неутрална молекула.

Електрически и оптични свойства на молекулите

Поведението на веществото в електрическо поле се определя от основните електрически характеристики на молекулите - постоянен диполен момент и поляризуемост.

Диполният момент означава несъвпадението на "центъра на тежестта" на положителните и отрицателните заряди в молекула (електрическа асиметрия на молекулата). 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