Надо Знать

добавить знаний



Молекула



План:


Введение

Схематическое изображение молекулы воды
Структура части двойной спирали ДНК

Молекула (новолат. molecula, уменьшительно от лат. moles - Масса) - способна к самостоятельному существованию частица простого или сложного вещества, что имеет ее основные химические свойства, которые определяются ее составом и строением.


1. Строение и состав молекулы

Молекула состоит из атомов, а если точнее, то с атомных ядер, окруженных определенным числом внутренних электронов, и внешних валентных электронов, образующих химические связи. Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул вещества не зависят от способа ее получения. В случае одноатомных молекул (например, инертных газов) понятия молекулы и атома совпадают.

Атомы объединяются в молекуле в большинстве случаев с помощью химических связей. Как правило, такая связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов. Молекула может иметь положительно и отрицательно заряженные атомы ( ионы).

Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы.

Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю. Если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи), при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.

Равновесные расстояния в двухатомных и многоатомных молекулах и расположения атомных ядер определяются методами спектроскопии, рентгеновского структурного анализа, электронографии и нейтронографии, которые позволяют получить сведения о распределении электронов (электронной плотности) в молекуле. Рентгенографическое излучения молекулярных кристаллов дает возможность установить геометрическое строение очень сложных молекул, даже молекул белков.

Каждому атому в определенном валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный, или ковалентная, радиус (в случае ионной связи - ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона), образующего химическую связь в молекуле.

Размер молекулы, т.е. размер ее электронной оболочки, является величиной в определенной степени условным. Существует вероятность (хотя и очень мала) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от его атомного ядра. Практические размеры молекулы определяются равновесной расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекулы в молекулярном кристалле и в жидкости. На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших - отталкиваются. Размеры молекулы можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определен с коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одного и того же или разных молекул, может быть охарактеризована средними значениями так называемых ван дер ваальсовых радиусов (Ǻ).

Ван дер Ваальса радиусы существенно превышают коваленти. Зная величины ван дер ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.

Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраедральне (четырехгранный) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью (С = С) - плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью (С С) - линейное расположение связей.

Таким образом, многоатомная молекула имеет определенную конфигурацию в пространстве, т.е. определенную геометрию расположения связей, которая не может быть изменена без их разрыва. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, или стереоизомеры. Все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определенного стереоизомеров.

Молекулы, содержащие единичные связи, или сигма-связи, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп вокруг единичных связей. Важные особенности макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.


2. Взаимодействие атомов в молекуле

Природа химических связей в молекуле оставалась загадкой вплоть до создания квантовой механики - классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были созданы в 1927 году Гайтлера и Лондоном на примере простейшей молекулы Н 2. Позже, теория и методы расчетов были значительно усовершенствованы.

Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений является ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома.

Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах сходных соединений приближенно аддитивна. То есть можно считать, что энергия молекулы - это сумма энергий ее связей, имеющих постоянные значения таких рядах.

Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности есть плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряженными связями, т.е. с кратными связями, чередующимися с единичными. В таких случаях валентные электроны, определяющие кратность связей, так называемые p-электроны, становятся общими для всей системы сопряженных связей, делокализованных. Такая делокализация электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации p-электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинение одинарных. В правильном шестиугольнике межуглеродными связей бензола все связи одинаковы и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах.

Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает частичную делокализации не только p-, но и s-электронов, которая наблюдается в любых молекулах.

В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равен нулю, т.е. спины электронов попарно насыщены. Молекулы, содержащие неспаренные электроны - свободные радикалы (например, атомный водород Н, метил CH 3), обычно неустойчивы, поскольку при их сочетании друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей.


3. Межмолекулярное взаимодействие

Межмолекулярное взаимодействие - взаимодействие между электрически нейтральными молекулами в пространстве. В зависимости от полярности молекул характер межмолекулярного взаимодействия разный. межмолекулярного взаимодействия. Природа последнего оставалась неясной до создания квантовой механики.

Ориентационный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя полярными молекулами, то есть такими, которые имеют собственный дипольный момент. Взаимодействие дипольных моментов и определяет результирующую силу - притяжения или отталкивания. В случае, если дипольные моменты молекул располагаются на одной линии, взаимодействие молекул будет интенсивная.

Индукционный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между одним полярной и одной неполярной молекулами. При этом типе взаимодействия полярная молекула поляризует неполярную молекулу так, что заряд неполярной молекулы, противоположную действующему на нее заряда полярной молекулы, смещается до последнего: в общем, положительный заряд смещается по направлению электрического поля, которое создает полярная молекула, а отрицательный - против. Это обусловливает поляризацию неполярной молекулы, т.е. явления смещения связанной электронной оболочки относительно центра положительного заряда.

Дисперсионный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя неполярными молекулами. Всего, дипольные моменты неполярных молекул равны нулю, однако в определенный момент времени, есть вероятность распределения электронов по всему объему молекулы неравномерно. Вследствие этого возникает мгновенный дипольный момент. При этом, мгновенный диполь или поляризует соседние неполярные молекулы, или взаимодействует с мгновенным диполем другой нейтральной молекулы.

См.. также: электрические силы взаимодействия


4. Электрические и оптические свойства молекул

Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул - постоянным дипольным моментом и поляризуемость.

Дипольный момент означает несовпадение "центров тяжести" положительных и отрицательных зарядов в молекуле (электрическую асимметрию молекулы). То есть молекулы, которые имеют центр симметрии, например H 2, лишены постоянного дипольного момента, и наоборот.

Поляризуемость - способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется приведенный дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризовности находят экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемость молекулы этого вещества. С поляризуемость непосредственно связаны преломления и рассеяния света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.


5. Магнитные свойства молекул

Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений является диамагнитными. Магнитная восприимчивость молекул (χ) для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений χ для отдельных связей.

Молекулы, которые имеют постоянный магнитный момент, является парамагнитными. К ним относятся молекулы с непарным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незапертой (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.


6. Спектры и строение молекул

Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связана с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояния 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, определения которых со спектроскопических данных позволяет получить наиболее точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от ее симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество соединенных связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающие в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются пестротой; к таким веществам относятся все органические красители.


7. Скорость молекул

средняя квадратичная \ Sqrt {{3 k T} \ over m_0}
наиболее вероятная \ Sqrt {{2 k T} \ over m_0}
средняя арифметическая \ Sqrt {{8 k T} \ over \ pi m_0}
k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура

8. 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.

Строению и свойствам молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятие молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твердых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии, ее вязкость, теполопровиднисть и т.д.. Первый прямой экспериментальное доказательство существования молекул было получено французьским физиком Ж. Перреном в 1906 году во время изучения броуновского движения.

Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированной химической и нехимической 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.


9. Производные сроки

Молекулярный ( рус. молекулярный , англ. molecular , нем. molekular ) - То, что касается молекулы;

Примеры:

  • молекулярная физика - раздел физики, в котором изучаются структура, силы межмолекулярного взаимодействия, характер теплового движения частиц (атомов, молекул, ионов), механические и тепловые свойства веществ в различных агрегатных состояниях;
  • молекулярные спектры - спектры излучения и поглощения, а также комбинационного рассеяния, возникающих вследствие переходов между энергетическими состояниями молекул;
  • молекулярные сита - пористые адсорбенты, в которых размеры пор или вход в поры близки к размерам молекул;
  • молекулярные силы - силы взаимодействия между молекулами
  • молекулярный генератор - см. лазер, мазер;
  • молекулярные кристаллы - кристаллы, состоящие из молекул, которые связаны между собой межмолекулярными силами (например, нафталин).
  • Молекулярный мотор - биологические молекулярные машины, которые используются для движения молекулярных объектов в живых организмах. Вообще говоря, мотор (двигатель) определяется как устройство, которое потребляет энергию в любой форме и преобразует ее в движение или механическую работу.

См.. также

Литература


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам