Toate corpurile care ne înconjoară sunt formate din atomi. Atomii, la rândul lor, se adună într-o moleculă. Din cauza diferenței de structură moleculară se poate vorbi despre substanțe care sunt diferite unele de altele, pe baza proprietăților și parametrilor lor. Moleculele și atomii sunt întotdeauna într-o stare de dinamică. În mișcare, ele încă nu se împrăștie în direcții diferite, ci sunt ținute într-o anumită structură, pe care o datorăm existenței unei varietăți atât de uriașe de substanțe în întreaga lume din jurul nostru. Ce sunt aceste particule și care sunt proprietățile lor?
Concepte generale
Dacă plecăm de la teoria mecanicii cuantice, atunci molecula nu este formată din atomi, ci din nucleele și electronii acestora, care interacționează constant între ei.
Pentru unele substanțe, o moleculă este cea mai mică particulă care are compoziția și proprietățile chimice ale substanței în sine. Deci, proprietățile moleculelor din punct de vedere al chimiei sunt determinate de structura sa chimică șicompoziţie. Dar numai pentru substanțele cu structură moleculară, regula funcționează: proprietățile chimice ale substanțelor și ale moleculelor sunt aceleași. Pentru unii polimeri, cum ar fi etilena și polietilena, compoziția nu se potrivește cu compoziția moleculară.
Se știe că proprietățile moleculelor sunt determinate nu numai de numărul de atomi, tipul acestora, ci și de configurația, ordinea conexiunii. O moleculă este o structură arhitecturală complexă, în care fiecare element stă la locul său și are vecinii săi specifici. Structura atomică poate fi mai mult sau mai puțin rigidă. Fiecare atom vibrează în jurul poziției sale de echilibru.
Configurare și parametri
Se întâmplă ca unele părți ale moleculei să se rotească în raport cu alte părți. Deci, în procesul de mișcare termică, o moleculă liberă capătă forme bizare (configurații).
Practic, proprietățile moleculelor sunt determinate de legătura (tipul acesteia) dintre atomi și de arhitectura moleculei în sine (structură, formă). Astfel, în primul rând, teoria chimică generală ia în considerare legăturile chimice și se bazează pe proprietățile atomilor.
Cu o polaritate puternică, proprietățile moleculelor sunt dificil de descris cu corelații de două sau trei constante, care sunt excelente pentru moleculele nepolare. Prin urmare, a fost introdus un parametru suplimentar cu un moment dipol. Dar această metodă nu are întotdeauna succes, deoarece moleculele polare au caracteristici individuale. Au fost propuși, de asemenea, parametri pentru a ține cont de efectele cuantice, care sunt importante la temperaturi scăzute.
Ce știm despre molecula celei mai comune substanțe de pe Pământ?
Dintre toate substanțele de pe planeta noastră, cea mai comună este apa. Ea, în sensul literal, oferă viață pentru tot ceea ce există pe Pământ. Doar virușii se pot descurca fără el, restul structurilor vii din compoziția lor au în cea mai mare parte apă. Ce proprietăți ale moleculei de apă, caracteristice doar acesteia, sunt folosite în viața economică a omului și a vieții sălbatice de pe Pământ?
La urma urmei, aceasta este o substanță cu adevărat unică! Nicio altă substanță nu se poate lăuda cu un set de proprietăți inerente apei.
Apa este principalul solvent din natură. Toate reacțiile care apar în organismele vii, într-un fel sau altul, au loc în mediul acvatic. Adică, substanțele intră în reacții în stare dizolvată.
Apa are o capacitate termică excelentă, dar o conductivitate termică scăzută. Datorită acestor proprietăți, îl putem folosi ca transport de căldură. Acest principiu este inclus în mecanismul de răcire al unui număr mare de organisme. În industria energiei nucleare, proprietățile moleculei de apă au dat naștere utilizării acestei substanțe ca agent de răcire. Pe lângă posibilitatea de a fi un mediu reactiv pentru alte substanțe, apa însăși poate intra în reacții: fotoliză, hidratare și altele.
Apa naturală pură este un lichid inodor, incolor și fără gust. Dar la o grosime a stratului mai mare de 2 metri, culoarea devine albăstruie.
Întreaga moleculă de apă este un dipol (doi poli opuși). Este structura dipolului îndetermină în principal proprietățile neobișnuite ale acestei substanțe. Molecula de apă este un diamagnet.
Apa metalică are o altă proprietate interesantă: molecula ei capătă structura raportului de aur, iar structura substanței capătă proporțiile secțiunii de aur. Multe dintre proprietățile moleculei de apă au fost stabilite prin analiza absorbției și emisiei de spectre cu dungi în faza gazoasă.
Știință și proprietăți moleculare
Toate substanțele, cu excepția celor chimice, au proprietățile fizice ale moleculelor care alcătuiesc structura lor.
În știința fizică, conceptul de molecule este folosit pentru a explica proprietățile solidelor, lichidelor și gazelor. Capacitatea tuturor substanțelor de a difuza, vâscozitatea lor, conductivitatea termică și alte proprietăți sunt determinate de mobilitatea moleculelor. Când fizicianul francez Jean Perrin studia mișcarea browniană, el a demonstrat experimental existența moleculelor. Toate organismele vii există datorită unei interacțiuni interne fin echilibrate în structură. Toate proprietățile chimice și fizice ale substanțelor sunt de o importanță fundamentală pentru știința naturii. Dezvoltarea fizicii, chimiei, biologiei și fizicii moleculare a dat naștere unei științe precum biologia moleculară, care studiază fenomenele de bază din viață.
Folosind termodinamica statistică, proprietățile fizice ale moleculelor, care sunt determinate prin spectroscopie moleculară, în chimia fizică determină proprietățile termodinamice ale substanțelor necesare pentru a calcula echilibrele chimice și ratele de stabilire a acestuia.
Care este diferența dintre proprietățile atomilor și ale moleculelor?
În primul rând, atomii nu apar în stare liberă.
Moleculele au spectre optice mai bogate. Acest lucru se datorează simetriei mai mici a sistemului și apariției posibilității de noi rotații și oscilații ale nucleelor. Pentru o moleculă, energia totală constă din trei energii care sunt diferite în ordinea mărimii componentelor:
- carcasa electronică (radiații optice sau ultraviolete);
- vibrații ale nucleelor (partea în infraroșu a spectrului);
- rotație a moleculei ca întreg (gamă de frecvență radio).
Atomii emit spectre de linii caracteristice, în timp ce moleculele emit spectre în dungi constând din multe linii apropiate.
Analiza spectrală
Proprietăți optice, electrice, magnetice și alte proprietăți ale unei molecule sunt, de asemenea, determinate de legătura cu funcțiile de undă. Datele despre stările moleculelor și tranziția probabilă dintre ele arată spectre moleculare.
Tranzițiile (electronice) în molecule arată legăturile chimice și structura învelișurilor lor de electroni. Spectrele cu mai multe conexiuni au benzi de absorbție cu lungimi de undă lungi care cad în regiunea vizibilă. Dacă o substanță este construită din astfel de molecule, ea are o culoare caracteristică. Aceștia sunt toți coloranți organici.
Proprietățile moleculelor aceleiași substanțe sunt aceleași în toate stările de agregare. Aceasta înseamnă că, în aceleași substanțe, proprietățile moleculelor de substanțe lichide, gazoase nu diferă de proprietățile solidului. Molecula unei substanțe are întotdeauna aceeași structură, indiferent destarea agregată a materiei în sine.
Date electrice
Modul în care o substanță se comportă într-un câmp electric este determinat de caracteristicile electrice ale moleculelor: polarizabilitate și moment de dipol permanent.
Momentul dipol este asimetria electrică a unei molecule. Moleculele care au un centru de simetrie precum H2 nu au un moment dipol permanent. Capacitatea învelișului de electroni a unei molecule de a se mișca sub influența unui câmp electric, în urma căruia se formează un moment dipol indus în ea, este polarizabilitatea. Pentru a găsi valoarea polarizabilității și a momentului dipol, este necesar să se măsoare permisivitatea.
Comportamentul unei unde luminoase într-un câmp electric alternativ este caracterizat de proprietățile optice ale unei substanțe, care sunt determinate de polarizabilitatea unei molecule a acestei substanțe. Direct legate de polarizabilitate sunt: împrăștierea, refracția, activitatea optică și alte fenomene ale opticii moleculare.
Se poate auzi adesea întrebarea: „De ce, în afară de molecule, depind proprietățile unei substanțe?” Răspunsul este destul de simplu.
Proprietățile substanțelor, cu excepția izometriei și structurii cristaline, sunt determinate de temperatura mediului, substanța în sine, presiunea, prezența impurităților.
Chimia moleculelor
Înainte de formarea științei mecanicii cuantice, natura legăturilor chimice din molecule era un mister nerezolvat. Fizica clasică explică direcţionalitatea şisaturația legăturilor de valență nu a putut. După crearea informațiilor teoretice de bază despre legătura chimică (1927) folosind exemplul celei mai simple molecule de H2, teoria și metodele de calcul au început să fie treptat îmbunătățite. De exemplu, pe baza utilizării pe scară largă a metodei orbitalilor moleculari, a chimiei cuantice, a devenit posibilă calcularea distanțelor interatomice, a energiei moleculelor și a legăturilor chimice, a distribuției densității electronilor și a altor date care au coincis complet cu datele experimentale.
Substanțele cu aceeași compoziție, dar cu structură chimică diferită și proprietăți diferite, se numesc izomeri structurali. Au formule structurale diferite, dar aceleași formule moleculare.
Se cunosc diferite tipuri de izomerie structurală. Diferențele constau în structura scheletului de carbon, poziția grupului funcțional sau poziția legăturii multiple. În plus, există încă izomeri spațiali în care proprietățile unei molecule de substanță sunt caracterizate de aceeași compoziție și structură chimică. Prin urmare, atât formulele structurale, cât și cele moleculare sunt aceleași. Diferențele constă în forma spațială a moleculei. Formule speciale sunt folosite pentru a reprezenta diferiți izomeri spațiali.
Există compuși care se numesc omologi. Ele sunt similare ca structură și proprietăți, dar diferă în compoziție prin una sau mai multe grupe CH2. Toate substanțele similare ca structură și proprietăți sunt combinate în serii omoloage. După ce am studiat proprietățile unui omolog, se poate raționa despre oricare altul dintre ele. Setul de omologi este o serie omoloagă.
La transformarea structurilor materieiproprietățile chimice ale moleculelor se modifică dramatic. Chiar și cei mai simpli compuși servesc drept exemplu: metanul, atunci când este combinat chiar și cu un atom de oxigen, devine un lichid otrăvitor numit metanol (alcool metilic - CH3OH). În consecință, complementaritatea sa chimică și efectul asupra organismelor vii devin diferite. Modificări similare, dar mai complexe, apar la modificarea structurilor biomoleculelor.
Proprietățile moleculare chimice depind puternic de structura și proprietățile moleculelor: de legăturile energetice din ele și de geometria moleculei în sine. Acest lucru este valabil mai ales în compușii activi biologic. Ce reacție concurentă va fi predominantă este adesea determinată doar de factori spațiali, care la rândul lor depind de moleculele inițiale (configurația lor). O moleculă cu o configurație „incomodă” nu va reacționa deloc, în timp ce alta cu aceeași compoziție chimică, dar cu o geometrie diferită poate reacționa instantaneu.
Un număr mare de procese biologice observate în timpul creșterii și reproducerii sunt asociate cu relațiile geometrice dintre produșii de reacție și materiile prime. Pentru informarea dumneavoastră: acțiunea unui număr considerabil de medicamente noi se bazează pe o structură moleculară similară a unui compus care este dăunător din punct de vedere biologic pentru organismul uman. Medicamentul ia locul moleculei dăunătoare și îngreunează acțiunea.
Cu ajutorul formulelor chimice se exprimă compoziția și proprietățile moleculelor diferitelor substanțe. Pe baza greutății moleculare, a analizei chimice, se stabilește și se compila raportul atomicformulă empirică.
Geometrie
Determinarea structurii geometrice a unei molecule se face ținând cont de aranjarea de echilibru a nucleelor atomice. Energia de interacțiune a atomilor depinde de distanța dintre nucleele atomilor. La distanțe foarte mari, această energie este zero. Pe măsură ce atomii se apropie unul de altul, începe să se formeze o legătură chimică. Apoi atomii sunt puternic atrași unul de celăl alt.
Dacă există o atracție slabă, atunci formarea unei legături chimice nu este necesară. Dacă atomii încep să se apropie la distanțe mai apropiate, între nuclee încep să acționeze forțe de repulsie electrostatice. Un obstacol în calea unei convergențe puternice a atomilor este incompatibilitatea învelișurilor lor interne de electroni.
Mărimi
Este imposibil să vezi molecule cu ochiul liber. Sunt atât de mici încât nici măcar un microscop cu mărire de 1000x nu ne va ajuta să le vedem. Biologii observă bacterii mici de 0,001 mm. Dar moleculele sunt de sute și de mii de ori mai mici.
Astăzi, structura moleculelor unei anumite substanțe este determinată prin metode de difracție: difracția cu neutroni, analiza de difracție cu raze X. Există, de asemenea, spectroscopie vibrațională și metoda paramagnetică a electronilor. Alegerea metodei depinde de tipul de substanță și de starea acesteia.
Mărimea unei molecule este o valoare condiționată, ținând cont de învelișul de electroni. Punctul este distanțele electronilor față de nucleele atomice. Cu cât sunt mai mari, cu atât este mai puțin probabil să găsească electronii moleculei. În practică, mărimea moleculelor poate fi determinată luând în considerare distanța de echilibru. Acesta este intervalul în care moleculele înseși se pot apropia unele de altele atunci când sunt ambalate dens într-un cristal molecular și într-un lichid.
Distanțele mari au molecule de atras, iar cele mici, dimpotrivă, de respingere. Prin urmare, analiza cu difracție de raze X a cristalelor moleculare ajută la găsirea dimensiunilor moleculei. Folosind coeficientul de difuzie, conductivitatea termică și vâscozitatea gazelor, precum și densitatea unei substanțe în stare condensată, se poate determina ordinul de mărime al dimensiunilor moleculare.
