Структура и свойства на молекулите

Всички тела, които ни заобикалят, се състоят от атоми. Атомите, от своя страна, се събират в молекула. Това се дължи на разликата в молекулната структура, която можем да говорим за вещества, които се различават една от друга, разчитайки на техните свойства и параметри. Молекулите и атомите винаги са в състояние на динамика. Докато се движат, те все още не се разпръскват в различни посоки, но се държат в определена структура, отколкото сме задължени да съществуват толкова голямо разнообразие от вещества в света около нас. Какви са тези частици и какви са техните свойства?

Общи понятия

Ако започнем от теорията на квантовата механика, молекулата се състои не от атоми, а от техните ядра и електрони, които постоянно взаимодействат един с друг.

За някои вещества молекулата е най-малката частица, която има състава и химичните свойства на самата субстанция. По този начин, свойствата на молекулите от гледна точка на химията се определят от нейните химическа структура и състава. Но само за вещества с молекулярна структура е правилото: химически свойствата на веществата и молекулите са еднакви. За някои полимери, например етилен и полиетилен, съставът не съответства на молекулярната.

Известно е, че свойствата на молекулите се определят не само от броя на атомите, техния тип, но и от конфигурацията, от реда на връзката. Молекулата е сложна архитектурна конструкция, където всеки елемент стои на нейно място и има свои специфични съседи. Атомната структура може да бъде повече или по-малко твърда. Всеки атом се осцилира спрямо равновесното му положение.

Конфигуриране и настройки

Намира се, че някои части от молекулата се въртят по отношение на други части. По този начин, в процеса на термичното движение, свободната молекула придобива странни форми (конфигурации).

Като цяло, свойствата на молекулите се определят от връзката (нейния тип) между атомите и архитектурата на самата молекула (структура, форма). Така, на първо място, общата химическа теория разглежда химическите връзки и се основава на свойствата на атомите.

При силно изразен полярност, свойствата на молекулите трудно се описват с две или три постоянни корелации, които са напълно подходящи за неполярни молекули. Поради това беше въведен допълнителен параметър с момент на дипол. Но този метод не винаги е успешен, тъй като полярните молекули имат индивидуални характеристики. Параметри за отчитане на квантовите ефекти, които са важни при ниски температури, също са предложени.

Какво знаем за молекулата на най-изобилното вещество на Земята?

От всички вещества на нашата планета най-често срещаната е водата. То в буквален смисъл осигурява живот на всичко, което съществува на Земята. Само вируси могат да направят без него, други живи структури в състава им в по-голямата си част имат вода. Какви свойства на молекулата на водата, характерни само за нея, се използват в икономическия живот на човека и живата природа на Земята?

В крайна сметка това е наистина уникално вещество! Наборът от свойства, присъщи на водата, не може да се похвали повече от всяко вещество.

Водата е основният разтворител в природата. Всички реакции, протичащи в живите организми, се срещат по един или друг начин във водната среда. Това означава, че веществата реагират, когато са в разтворено състояние.

Водата има отлична топлинна мощност, но ниска топлопроводимост. Благодарение на тези свойства можем да го използваме като топлопренос. Този принцип е част от охладителния механизъм на голям брой организми. При ядрената енергия свойствата на водната молекула служат като оправдание за използването на това вещество като охладител. Освен че може да бъде реактивна среда за други вещества, самата вода може да попадне в реакции: фотолиза, хидратация и други.

Естествената чиста вода е течност, която няма мирис, цвят и вкус. Но на дебелината на слоя, по-голяма от 2 метра, цветът става синкав.

Цялата молекула на водата е дипол (два за разлика от полюсите). Това е диполната структура, която определя главно необичайните свойства на това вещество. Водната молекула е диамагнит.

Друга интересна характеристика е размразената вода: молекулата й придобива златна пропорционална структура и структурата на веществото - пропорциите на златната секция. Много свойства, които молекулата на водата притежава, се установяват чрез анализиране на абсорбцията и излъчването на ивицирани спектри в газовата фаза.

Природни науки и молекулярни свойства

Всички вещества, с изключение на химичните, имат физичните свойства на молекулите, които съставляват тяхната структура.

Във физическата наука понятието молекули се използва за обяснение на свойствата на твърдите вещества, течностите и газовете. Способността на всички вещества да дифундират, тяхната вискозитет, топлинната проводимост и други свойства се определят от мобилността на молекулите. Когато френският физик Жан Перин изследва браунското движение, той експериментално доказва съществуването на молекули. Всички живи организми съществуват благодарение на фино балансирано вътрешно взаимодействие в структурата. Всички химични и физични свойства на веществата са от основно значение за природните науки. Развитието на физика, химия, биология и молекулярна физика доведе до възникването на такава наука като молекулярната биология, която изучава основните явления в живота.

Използвайки статистическата термодинамика, физичните свойства на молекулите, определени от методите на молекулярната спектроскопия, във физичната химия определят термодинамичните свойства на веществата, необходими за изчисляване на химичното равновесие и скоростите на неговото създаване.

Каква е разликата между свойствата на атомите и молекулите помежду им?

Преди всичко атомите не се появяват в свободно състояние.

В молекулите оптичните спектри са по-богати. Това се дължи на по-ниската симетрия на системата и появата на възможността за нови ротации и колебания на ядрото. В една молекула, общата енергия се състои от три енергии, които се различават по реда на мащаба:

• електронна обвивка (оптично или ултравиолетово лъчение);
• колебания на ядра (инфрачервена част от спектъра);
• ротация на молекулата като цяло (радиочестотен диапазон).

Атомите излъчват характерни линейни спектри и молекули - ивици, състоящи се от набор от близко разположени линии.

Спектрален анализ

Оптичните, електрическите, магнитните и други свойства на молекулата също се определят чрез свързване с вълна функции. Данните за състоянията на молекулите и вероятният преход между тях показват молекулни спектри.

Транзициите (електронни) в молекулите показват химическите връзки и структурата на техните електронни черупки. Спектрите с по-голям брой връзки имат дълги вълнови дължини на абсорбция, които попадат във видимия регион. Ако дадено вещество е изградено от такива молекули, то има характерно оцветяване. Това е всичко органични багрила.

Свойствата на молекулите на едно и също вещество са еднакви във всички агрегатни състояния. Това означава, че за същите вещества, свойствата на молекулите на течни, газообразни вещества не се различават от свойствата на твърдите вещества. Молекулата на едно вещество винаги има същата структура, независимо от съвкупното състояние на самата субстанция.

Електрически характеристики

Начинът, по който веществото се държи в електрическо поле, се определя от електрическите характеристики на молекулите: поляризация и постоянен диполен момент.

Двойният момент е електрическата асиметрия на молекулата. За молекули, които имат център на симетрия, като H₂, няма постоянен диполен момент. Способността на електронната обвивка на дадена молекула да се движи под въздействието на електрическо поле, в резултат на което в нея се образува индуциран диполен момент, е поляризацията. За да се намери стойността на поляризацията и диполния момент, е необходимо да се измери проницаемостта.

Поведението в променливото електрическо поле на светлинна вълна се характеризира с оптичните свойства на материята, които се определят от поляризацията на молекулата на това вещество. Директно с поляризация са свързани: разсейване, пречупване, оптична активност и други явления на молекулярната оптика.

Често човек може да чуе въпроса: "Какво, освен молекулите, зависи от свойствата на веществото?" Отговорът на този въпрос е съвсем прост.

Свойствата на веществата, в допълнение към изометрията и кристалната структура, се определят от температурата на околната среда, самото вещество, налягането, наличието на примеси.

Химия на молекулите

Преди създаването на такава наука като квантовата механика, естеството на химическите връзки в молекулите беше неразкрита мистерия. Класическата физика не можа да обясни посоката и насищането на валентните връзки. След създаването на основния теоретичен информация за химичната свързване (1927) за пример на простата молекула Н2, теорията и методите за изчисление постепенно подобрени. Например, на базата на широк прилагането на молекулно орбитален метод, квантовата химия, че е възможно да се изчисли interatomic разстоянието, енергия на молекулите и химическите връзки, разпределението на електронната плътност и други данни, които може да съвпадат с експериментални такива.

Вещества със същия състав, но с различна химическа структура и различни свойства, се наричат ​​структурни изомери. Те имат различни структурни формули, но те са еднакви молекулярни.

Известни са различни видове структурни изомери. Разликите са в структурата на въглеродния скелет, позицията на функционалната група или позицията на множествената връзка. В допълнение, все още съществуват пространствени изомери, в които свойствата на молекулата на веществото се характеризират със същия състав и химична структура. Следователно те имат еднакви структурни и молекулярни формули. Разликите са в пространствената форма на молекулата. Специални формули се използват за представяне на различни пространствени изомери.

Съществуват съединения, наречени хомолози. Те са сходни по структура и свойства, но се различават по състав от една или повече СН2 групи. Всички вещества сходни по структура и свойства са обединени в хомоложни серии. След като проучиха свойствата на един хомолог, може да се говори за всеки друг. Комплектът от хомолози е хомоложна серия.

При трансформацията на структурата на материята, химическите свойства на молекулите се променят драстично. Един пример е дори най-простите съединения: метан, свързващ дори с един кислороден атом, става отровна течност, наречена метанол (метилов алкохол - CH3OH). Съответно нейната химическа допълняемост и действие върху живите организми се различават. Подобни, но по-сложни промени се появяват, когато структурите на биомолекулите се променят.

Химичните молекулярни свойства силно зависят от структурата и свойствата на молекулите: от енергийните връзки в него и от геометрията на самата молекула. Особено работи в биологично активни съединения. Каква конкурентна реакция ще преобладава, често се определя само от пространствени фактори, които на свой ред зависят от първоначалните молекули (техните конфигурации). Една молекула, която има "неудобна" конфигурация, няма да реагира изобщо, а другата молекула, със същия химичен състав, но с различна геометрия, може да реагира мигновено.

Голям брой биологични процеси, наблюдавани по време на растежа и репродукцията, са свързани с геометричните взаимовръзки между реакционните продукти и изходните материали. За информация: действието на значителен брой нови лекарства се основава на подобна структура на молекулите на всяко съединение, което е биологично вредно за човешкото тяло. Лекарството заменя вредната молекула и го прави по-трудно.

Използването на химични формули изразява състава и свойствата на молекулите на различни вещества. Въз основа на молекулното тегло, химичен анализ атомното съотношение се установява и се прави емпирична формула.

геометрия

Определянето на геометричната структура на молекулата се извършва, като се вземе предвид равновесното разположение на атомните ядра. Енергията на взаимодействие на атомите зависи от разстоянието между ядрата на атомите. На много големи разстояния тази енергия е нула. Когато атомите се сливат, започва да се образува химическа връзка. Тогава атомите силно се привличат един към друг.

Ако има слабо привличане, не е необходимо образуването на химическа връзка. Ако атомите започват да се приближават към по-далечни разстояния, електростатичните отблъскващи сили започват да действат между ядрата. Препятствие за силната конвергенция на атомите е несъвместимостта на техните вътрешни електронни черупки.

размери

С невъоръжено око е невъзможно да се видят молекули. Те са толкова малки, че дори микроскоп с увеличение от 1000 пъти няма да ни помогне да ги разпознаем. Биолозите наблюдават бактерии с размер 0,001 mm. Но молекулите са стотици и хиляди пъти по-малки от тях.

Днес структурата на молекулите на определено вещество се определя чрез дифракционни методи: неутронна дифракция, рентгенов дифракционен анализ. Съществува и вибрационна спектроскопия и електронен парамагнитен метод. Изборът на метод зависи от вида на веществото и неговото състояние.

Размерът на молекулата е условна стойност, ако вземем предвид електронната черупка. Точката е в разстоянията на електроните от атомните ядра. Колкото по-големи са, вероятността за намиране на електроните на молекулата е по-малка. На практика размерът на молекулите може да бъде определен, като се вземе предвид равновесното разстояние. Това е интервалът, в който самите молекули могат да се сближат заедно в гъста опаковка в молекулярен кристал и в течност.

Дългите разстояния имат молекулите на гравитацията, а малките - напротив - на отблъскване. Ето защо, рентгенов дифракционен анализ на молекулни кристали помага да се намери размерът на молекулата. Използвайки дифузионния коефициент, топлинната проводимост и вискозитета на газовете, както и плътността на материята в кондензирано състояние, може да се определи степента на молекулярните размери.