Struktura i właściwości cząsteczek
Wszystkie ciała, które nas otaczają, składają się z atomów. Atomy z kolei składają się w cząsteczkę. Właśnie ze względu na różnicę w strukturze cząsteczkowej można mówić o różnych substancjach od siebie nawzajem, w oparciu o ich właściwości i parametry. Cząsteczki i atomy są zawsze w stanie dynamiki. Poruszając się, nadal nie rozpraszają się w różnych kierunkach, ale trzymane są w określonej strukturze, co zawdzięczamy istnieniu tak ogromnej różnorodności substancji w całym otaczającym nas świecie. Czym są te cząstki i jakie są ich właściwości?
Koncepcje ogólne
Jeśli zaczniemy od teorii mechaniki kwantowej, wówczas cząsteczka nie składa się z atomów, ale z ich jądra i elektronów, które nieustannie wchodzą ze sobą w interakcje.
W przypadku niektórych substancji cząsteczka jest najmniejszacząstka, która ma skład i właściwości chemiczne samej substancji. Tak więc właściwości cząsteczek z punktu widzenia chemii są określone przez ich strukturę chemiczną i skład. Ale tylko dla substancji o budowie molekularnej działa zasada: właściwości chemiczne substancji i cząsteczek są takie same. W przypadku niektórych polimerów, na przykład etylenu i polietylenu, kompozycja nie odpowiada składowi cząsteczkowemu.
Wiadomo, że właściwości cząsteczek nie są określonetylko liczba atomów, ich typ, ale także konfiguracja, kolejność połączeń. Cząsteczka to złożona struktura architektoniczna, w której każdy element stoi na swoim miejscu i ma określonych sąsiadów. Struktura atomowa może być bardziej lub mniej sztywna. Każdy atom oscyluje w stosunku do jego położenia równowagi.
Konfiguracja i parametry
Zdarza się, że niektóre części cząsteczki obracają się względem innych części. Tak więc, w procesie ruchu termicznego, wolna cząsteczka nabiera dziwacznych form (konfiguracji).
Zasadniczo właściwości cząsteczek są determinowane przez wiązanie(jego typ) między atomami a architekturą samej cząsteczki (struktura, forma). Przede wszystkim ogólna teoria chemiczna uwzględnia wiązania chemiczne i opiera się na właściwościach atomów.
Z wyraźnymi właściwościami polarności cząsteczekTrudno opisać dwie lub trzy stałe korelacje, które są świetne dla niepolarnych cząsteczek. Dlatego wprowadzono dodatkowy parametr z momentem dipolowym. Ale ta metoda nie zawsze jest udana, ponieważ cząsteczki polarne mają indywidualne cechy. Zaproponowano również parametry, aby uwzględnić efekty kwantowe, które są ważne w niskich temperaturach.
Co wiemy o cząsteczce najpowszechniejszej substancji na Ziemi?
Spośród wszystkich substancji na naszej planecie, najbardziejczęsto jest woda. Ona, w sensie dosłownym, zapewnia życie wszystkim rzeczom na Ziemi. Tylko wirusy mogą się bez niego obejść, reszta żywych struktur w swoim składzie w przeważającej części ma wodę. Jakie właściwości cząsteczki wody, charakterystyczne tylko dla niej, są wykorzystywane w życiu gospodarczym człowieka i żywej naturze Ziemi?
W końcu to naprawdę wyjątkowa substancja! Zestaw właściwości nieodłącznie związanych z wodą, nie może pochwalić się już żadną substancją.
Woda jest głównym rozpuszczalnikiem w przyrodzie. Wszystkie reakcje zachodzące w żywych organizmach w taki czy inny sposób występują w środowisku wodnym. Oznacza to, że substancje wchodzą w reakcje, będąc w stanie rozpuszczonym.
Woda ma doskonałą pojemność cieplną, ale niskąprzewodność cieplna. Dzięki tym właściwościom możemy go wykorzystać jako transport ciepła. Zasada ta jest zawarta w mechanizmie chłodzenia dużej liczby organizmów. W energii atomowej właściwości cząsteczki wody były powodem używania tej substancji jako chłodziwa. Oprócz możliwości bycia medium reaktywnym dla innych substancji, sama woda może reagować: fotolizą, hydratacją i innymi.
Naturalna czysta woda jest płynna, bezwonna, bezbarwna i pozbawiona smaku. Ale przy grubości warstwy większej niż 2 metry kolor staje się niebieskawy.
Cała cząsteczka wody jest dipolem (dwa przeciwległe bieguny). Jest to struktura dipolowa, która głównie determinuje niezwykłe właściwości tej substancji. Cząsteczka wody jest diamagnetyczna.
Inną interesującą własnością jest talayawoda: jego cząsteczka przejmuje strukturę złotego udziału, a struktura materii - proporcje złotego odcinka. Wiele właściwości posiadanych przez cząsteczkę wody ustala się, analizując absorpcję i emisję pasmowych widm w fazie gazowej.
Właściwości naturalne i molekularne
Wszystkie substancje, z wyjątkiem substancji chemicznych, mają właściwości fizyczne cząsteczek wchodzących w ich strukturę.
W naukach fizycznych używa się pojęcia cząsteczekwyjaśnienia właściwości ciał stałych, cieczy i gazów. Zdolność wszystkich substancji do dyfuzji, ich lepkość, przewodność cieplną i inne właściwości określa się za pomocą ruchliwości cząsteczek. Kiedy francuski fizyk Jean Perrin badał ruch Browna, eksperymentalnie udowodnił istnienie cząsteczek. Wszystkie żywe organizmy istnieją dzięki doskonale zrównoważonej wewnętrznej interakcji w strukturze. Wszystkie chemiczne i fizyczne właściwości substancji mają fundamentalne znaczenie dla nauk przyrodniczych. Rozwój fizyki, chemii, biologii i fizyki molekularnej przyczynił się do powstania takiej nauki, jak biologia molekularna, badając główne zjawiska w życiu.
Korzystanie z termodynamiki statystycznej,Właściwości fizyczne cząsteczek, które określa się metodami spektroskopii molekularnej, w chemii fizycznej określają właściwości termodynamiczne substancji niezbędnych do obliczenia równowag chemicznych i szybkości ich tworzenia.
Jaka jest różnica między właściwościami atomów i cząsteczek?
Przede wszystkim atomy nie występują w stanie wolnym.
Cząsteczki mają bogatsze spektrum optyczne. Wynika to z niższej symetrii układu i pojawienia się możliwości nowych obrotów i oscylacji jąder. W cząsteczce energia całkowita składa się z trzech energii, które różnią się wielkością składników:
- płaszcz elektronowy (promieniowanie optyczne lub ultrafioletowe);
- oscylacje jąder (podczerwona część widma);
- obrót cząsteczki jako całości (zakres częstotliwości radiowych).
Atomy wydzielają charakterystyczne widma linii, a cząsteczki są paskami, składającymi się z wielu blisko rozmieszczonych linii.
Analiza spektralna
Optyczne, elektryczne, magnetyczne i innewłaściwości cząsteczki są również określone przez połączenie z funkcjami falowymi. Dane dotyczące stanów cząsteczek i prawdopodobnego przejścia między nimi pokazują widma molekularne.
Pokazują przejścia (elektroniczne) w cząsteczkachwiązania chemiczne i struktura ich powłok elektronowych. Widma o większej liczbie wiązań mają pasma absorpcyjne o długiej długości fal spadające w widocznym obszarze. Jeśli substancja jest zbudowana z takich cząsteczek, ma ona charakterystyczny kolor. To są wszystkie organiczne barwniki.
Właściwości cząsteczek tej samej substancjisą takie same we wszystkich stanach agregacji. Oznacza to, że dla tych samych substancji właściwości cząsteczek ciekłych, gazowych substancji nie różnią się od właściwości ciał stałych. Cząsteczka jednej substancji ma zawsze tę samą strukturę, niezależnie od stanu skupienia samej substancji.
Specyfikacje elektryczne
To, jak substancja zachowuje się w polu elektrycznym, zależy od właściwości elektrycznych cząsteczek: polaryzowalności i stałego momentu dipolowego.
Moment dipolowy to elektryczna asymetria cząsteczki. W cząsteczkach, które mają centrum symetrii, takie jak H2nie ma stałego momentu dipolowego. Zdolność powłoki elektronowej cząsteczki do poruszania się pod wpływem pola elektrycznego, w wyniku czego powstaje w niej indukowany moment dipolowy, jest zdolnością do polaryzacji. Aby określić wartość podatności na polaryzację i moment dipolowy, należy zmierzyć stałą dielektryczną.
Zachowanie pola elektrycznego ACFale świetlne charakteryzują własności optyczne substancji, które są określane przez polaryzowalność cząsteczki tej substancji. Bezpośrednio związane z polaryzowalnością: rozpraszanie, załamanie, aktywność optyczna i inne zjawiska optyki molekularnej.
Często można usłyszeć pytanie: "Co, oprócz cząsteczek, zależy od właściwości substancji?" Odpowiedź jest dość prosta.
Właściwości substancji, oprócz izometrii i struktury krystalicznej, są określane przez temperaturę otoczenia, samą substancję, ciśnienie i obecność zanieczyszczeń.
Chemia cząsteczkowa
Przed powstaniem takiej nauki, jak kwantmechanika, natura wiązań chemicznych w cząsteczkach była nierozwiązaną zagadką. Fizyka klasyczna nie mogła wyjaśnić kierunku i nasycalności wiązań walencyjnych. Po stworzeniu podstawowych informacji teoretycznych o wiązaniu chemicznym (1927) na przykładzie najprostszej cząsteczki H2, teoria i metody obliczeń zaczęły się stopniowo poprawiać. Na przykład, na podstawie powszechnego stosowania metody orbitali molekularnych, chemii kwantowej, stało się możliwe obliczenie odległości międzyatomowych, energii cząsteczek i wiązań chemicznych, rozkładu gęstości elektronowej i innych danych, które całkowicie pokrywały się z eksperymentalnymi.
Substancje o tym samym składzie, ale o innej strukturze chemicznej i różnych właściwościach, nazywane są izomerami strukturalnymi. Mają różne wzory strukturalne, ale te same wzory cząsteczkowe.
Znane są różne typy izomerii strukturalnej. Różnice występują w strukturze szkieletu węglowego, pozycji grupy funkcyjnej lub pozycji wiązania wielokrotnego. Ponadto nadal istnieją izomery przestrzenne, w których właściwości cząsteczki substancji charakteryzują się tym samym składem i strukturą chemiczną. W związku z tym mają takie same wzory strukturalne i molekularne. Różnice polegają na przestrzennym kształcie cząsteczki. Aby obraz różnych przestrzennych izomerów użyć specjalnych formuł.
Istnieją związki, które są nazywane homologami. Są podobne pod względem struktury i właściwości, ale różnią się składem jednej lub kilku grup CH2. Wszystkie substancje o podobnej budowie i właściwościach są połączone w szeregi homologiczne. Po przestudiowaniu właściwości jednego homologa można spierać się o każde inne z nich. Zbiór homologów jest serią homologiczną.
W transformacji struktur substancji chemicznejwłaściwości molekularne zmieniają się dramatycznie. Przykładem są nawet najprostsze związki: metan, łącząc się nawet z jednym atomem tlenu, staje się toksyczną cieczą o nazwie metanol (alkohol metylowy - НН3ОН). W związku z tym jego chemiczna komplementarność i działanie na organizmy żywe stają się różne. Podobne, ale bardziej złożone zmiany występują podczas modyfikowania struktur biomolekuł.
Chemiczne właściwości molekularne są wysoce zależneze struktury i właściwości cząsteczek: z wiązań energetycznych w niej i geometrii samej cząsteczki. Działa to szczególnie w związkach biologicznie czynnych. To, która konkurencyjna reakcja będzie dominująca, jest często determinowane jedynie przez czynniki przestrzenne, które z kolei zależą od pierwotnych cząsteczek (ich konfiguracji). Jedna cząsteczka, która ma "niewygodną" konfigurację, nie reaguje w ogóle, a druga, o tym samym składzie chemicznym, ale o innej geometrii, może natychmiast zareagować na reakcję.
Duża liczba procesów biologicznychobserwowane podczas wzrostu i rozmnażania, ze względu na proporcje geometryczne między produktami reakcji i materiałami wyjściowymi. Dla twojej informacji: wpływ znacznej ilości nowych leków opiera się na podobnej strukturze cząsteczek dowolnego związku, który jest biologicznie szkodliwy dla ludzkiego ciała. Lek zajmuje miejsce szkodliwej cząsteczki i komplikuje jej działanie.
Za pomocą wzorów chemicznych wyrażają skład iwłaściwości cząsteczek różnych substancji. Na podstawie masy cząsteczkowej, analizy chemicznej ustalono stosunek atomowy i opracowano wzór empiryczny.
Geometria
Określenie struktury geometrycznej cząsteczkiwytworzone z uwzględnieniem układu równowagi jąder atomowych. Energia oddziaływania atomów zależy od odległości między jądrami atomów. Przy bardzo dużych odległościach ta energia wynosi zero. Kiedy atomy zbliżają się do siebie, zaczyna tworzyć się wiązanie chemiczne. Wtedy atomy są silnie przyciągane do siebie.
Jeśli jest słaba atrakcja, totworzenie wiązania chemicznego nie jest konieczne. Jeśli atomy zaczną zbliżać się do siebie, siły odpychania elektrostatycznego zaczynają działać między jądrami. Przeszkodą dla silnej konwergencji atomów jest niekompatybilność ich wewnętrznych powłok elektronowych.
Wymiary
Niemożliwe jest dostrzec cząsteczki gołym okiem. Są tak małe, że nawet mikroskop z powiększeniem 1000x nie pomoże nam ich zobaczyć. Biolodzy obserwują 0,001 mm bakterii. Ale cząsteczki są setki i tysiące razy mniejsze.
Dzisiaj struktura cząsteczek pewnej substancjiokreślane metodami dyfrakcyjnymi: dyfrakcja neutronów, analiza strukturalna rentgenowska. Istnieje również spektroskopia oscylacyjna i elektronowa metoda paramagnetyczna. Wybór metody zależy od rodzaju substancji i jej stanu.
Rozmiar cząsteczki jest liczbą warunkową, jeśliwziąć pod uwagę elektroniczną powłokę. Chodzi o odległości elektronów od jąder atomowych. Im są większe, tym mniej prawdopodobne jest znalezienie elektronów cząsteczki. W praktyce wielkość cząsteczek można określić biorąc pod uwagę odległość równowagi. Jest to szczelina, z którą cząsteczki mogą zbiegać się po szczelnym upakowaniu w krysztale cząsteczkowym i w cieczy.
Długie odległości stanowią molekuły doprzyciąganie, i małe, wręcz przeciwnie, do odpychania. Dlatego analiza rentgenowska kryształów molekularnych pomaga znaleźć wielkość cząsteczki. Wykorzystując współczynnik dyfuzji, przewodność cieplną i lepkość gazów, a także gęstość substancji w stanie skondensowanym, można określić rząd wielkości wielkości cząsteczek.
