Cząsteczka

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Molekuła ( novolat. Molecula , zdrobnienie z łac. Moles - mass [1] ) to elektrycznie obojętna cząstka utworzona z dwóch lub więcej atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi [2] [3] [4] [5] [6] [7] . W fizyce cząsteczki obejmują również cząsteczki jednoatomowe , czyli wolne (niezwiązane chemicznie) atomy (na przykład gazy obojętne , rtęć itp.). Przyporządkowanie cząsteczkom cząsteczek jednoatomowych, czyli wolnych atomów , np. gazów jednoatomowych , prowadzi do połączenia pojęć „cząsteczka” i „atom” [8] . Zazwyczaj przyjmuje się, że cząsteczki są obojętne (nie przenoszą ładunków elektrycznych) i nie przenoszą niesparowanych elektronów (wszystkie wartościowości są nasycone); naładowane cząsteczki nazywane są jonami molekularnymi, cząsteczki o wielokrotności innej niż jedność (czyli o niesparowanych elektronach i nienasyconych wartościowościach ) nazywane są rodnikami .

Cząsteczki o stosunkowo dużej masie cząsteczkowej , składające się z powtarzających się fragmentów o małej masie cząsteczkowej , nazywane są makrocząsteczkami [9] .

Z punktu widzenia mechaniki kwantowej [10] cząsteczka jest układem nie atomów, ale oddziałujących ze sobą elektronów i jąder atomowych.

Cechy strukturalne cząsteczek determinują właściwości fizyczne substancji składającej się z tych cząsteczek.

Substancje zachowujące strukturę molekularną w stanie stałym to np. woda , tlenek węgla (IV) oraz wiele substancji organicznych. Charakteryzują się niską temperaturą topnienia i wrzenia. Większość stałych (krystalicznych) substancji nieorganicznych nie składa się z cząsteczek, ale z innych cząstek (jonów, atomów) i istnieje w postaci makrociał (kryształ chlorku sodu , kawałek miedzi itp.).

Skład cząsteczek złożonych substancji jest wyrażony za pomocą wzorów chemicznych .

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Krótki przegląd różnych rodzin cząstek elementarnych i złożonych oraz teorie opisujące ich interakcje . Cząstki elementarne po lewej stronie to fermiony , po prawej bozony . ( Warunki - hiperłącza do artykułów VP )

Historia

Na międzynarodowym zjeździe chemików w Karlsruhe w 1860 r . przyjęto definicje pojęć cząsteczki i atomu. Cząsteczka została zdefiniowana jako najmniejsza cząsteczka substancji chemicznej, która posiada wszystkie jej właściwości chemiczne.

Klasyczna teoria budowy chemicznej

Model kulowo-prętowy cząsteczki diboranu B 2 H 6 . Atomy boru pokazane są na różowo, atomy wodoru na szaro.
Centralne „pomostowe” jednowartościowe atomy wodoru tworzą wiązania trzycentrowe z sąsiednimi atomami boru
Struktura przestrzenna cząsteczki diboranu .
Długości wiązania są zaznaczone na szaro, kąty wiązania są pokolorowane.
Kąt dwuścienny między płaszczyznami trójek obwodowych i mostkowych jąder HBH wynosi 90 °

W klasycznej teorii budowy chemicznej cząsteczka jest uważana za najmniejszą stabilną cząsteczkę substancji, która posiada wszystkie jej właściwości chemiczne. W tej definicji molekuły obejmują również cząstki jednoatomowe (w szczególności molekuły gazów obojętnych )

Cząsteczka danej substancji ma stały skład, czyli taką samą liczbę atomów połączonych wiązaniami chemicznymi , natomiast indywidualność chemiczna cząsteczki jest dokładnie określona przez kombinację i konfigurację wiązań chemicznych, czyli oddziaływania walencyjne między jej cząsteczkami. atomy składowe, które zapewniają jego stabilność i podstawowe właściwości w dość szerokim zakresie warunków zewnętrznych. Oddziaływania niewalencyjne (np. wiązania wodorowe ), które często mogą znacząco wpływać na właściwości cząsteczek i tworzonej przez nie substancji, nie są brane pod uwagę jako kryterium indywidualności cząsteczki.

Centralną pozycją teorii klasycznej jest zapis o wiązaniu chemicznym, przy czym dopuszcza się nie tylko wiązania dwucentrowe łączące pary atomów, ale także obecność wiązań wieloośrodkowych (zwykle trójośrodkowych, czasem czteroośrodkowych) z „pomostem”. atomy - takie jak np. mostkowanie atomów wodoru w boronach , charakter wiązania chemicznego nie jest uwzględniany w klasycznej teorii - tylko takie integralne cechy jak kąty wiązania, kąty dwuścienne (kąty między płaszczyznami utworzonymi przez trójki jąder) brane są pod uwagę długości wiązań i ich energie .

Tak więc cząsteczka w teorii klasycznej jest reprezentowana jako układ dynamiczny, w którym atomy są uważane za punkty materialne i w którym atomy i związane z nimi grupy atomów mogą wykonywać mechaniczne ruchy obrotowe i wibracyjne w odniesieniu do pewnej równowagi jądrowej konfiguracji odpowiadającej minimalnej energii cząsteczka i jest uważany za system oscylatorów harmonicznych .

Cząsteczka składa się z atomów, a dokładniej z jąder atomowych otoczonych pewną liczbą wewnętrznych elektronów i zewnętrznych elektronów walencyjnych, które tworzą wiązania chemiczne. Elektrony wewnętrzne atomów zwykle nie biorą udziału w tworzeniu wiązań chemicznych. Skład i struktura cząsteczek substancji nie zależy od sposobu jej przygotowania.

Atomy łączą się w cząsteczce w większości przypadków poprzez wiązania chemiczne. Z reguły takie wiązanie tworzy jedna, dwie lub trzy pary elektronów wspólnie należących do dwóch atomów, tworzących wspólną chmurę elektronową, której kształt określa rodzaj hybrydyzacji. Cząsteczka może mieć dodatnio i ujemnie naładowane atomy ( jony ).

Skład cząsteczki określają wzory chemiczne. Wzór empiryczny ustala się na podstawie stosunku atomowego pierwiastków substancji i masy cząsteczkowej .

Struktura geometryczna cząsteczki jest zdeterminowana równowagowym układem jąder atomowych. Energia oddziaływania atomów zależy od odległości między jądrami. Na bardzo dużych odległościach energia ta wynosi zero. Jeśli wiązanie chemiczne powstaje, gdy atomy zbliżają się do siebie, to atomy są silnie przyciągane do siebie (obserwowane jest słabe przyciąganie bez tworzenia wiązania chemicznego), przy dalszym zbliżaniu zaczynają działać elektrostatyczne siły odpychania jąder atomowych. Przeszkodą w mocnym podejściu atomów jest również niemożność dopasowania ich wewnętrznych powłok elektronowych.

Każdemu atomowi w określonym stanie walencyjnym w cząsteczce można przypisać pewien promień atomowy lub kowalencyjny (w przypadku wiązania jonowego promień jonowy), który charakteryzuje wielkość powłoki elektronowej atomu (jonu) tworzącego substancję chemiczną wiązanie w cząsteczce. Wielkość powłoki elektronowej cząsteczki jest wartością warunkową. Istnieje prawdopodobieństwo (choć bardzo małe) znalezienia elektronów cząsteczki w większej odległości od jej jądra atomowego. Praktyczne wymiary molekuły są określone przez odległość równowagową, o jaką można je zbliżyć, gęstym upakowaniem molekuł w krysztale molekularnym iw cieczy . Na większych odległościach cząsteczki przyciągają się do siebie, na mniejszych odpychają. Rozmiary cząsteczkowe można znaleźć za pomocą analizy dyfrakcji rentgenowskiej kryształów molekularnych. Rząd wielkości tych wymiarów można określić na podstawie współczynników dyfuzji, przewodności cieplnej i lepkości gazów oraz gęstości substancji w stanie skondensowanym. Odległość, na jaką mogą zbliżyć się do siebie niezwiązane walencyjnie atomy tych samych lub różnych cząsteczek, można scharakteryzować średnimi wartościami tak zwanych promieni van der Waalsa .

Promień van der Waalsa znacznie przekracza promień kowalencyjny. Znając wartości promieni van der Waalsa, promieni kowalencyjnych i jonowych, możliwe jest skonstruowanie wizualnych modeli cząsteczek, które oddałyby kształt i wielkość ich powłok elektronowych.

Kowalencyjne wiązania chemiczne w cząsteczce znajdują się pod pewnymi kątami, które zależą od stanu hybrydyzacji orbitali atomowych. Tak więc cząsteczki nasyconych związków organicznych charakteryzują się tetraedrycznym (tetraedrycznym) układem wiązań utworzonych przez atom węgla, dla cząsteczek z podwójnym wiązaniem ( C = C ) - płaskim układem atomów węgla, dla cząsteczek związków o potrójnym bond ( C C ) - liniowy układ wiązań ... Zatem cząsteczka wieloatomowa ma określoną konfigurację w przestrzeni, to znaczy pewną geometrię układu wiązań, której nie można zmienić bez ich zerwania. Cząsteczka charakteryzuje się taką lub inną symetrią ułożenia atomów. Jeśli cząsteczka nie ma płaszczyzny i środka symetrii, to może istnieć w dwóch konfiguracjach, które są swoimi lustrzanymi odbiciami (antypody lustrzane, czyli stereoizomery ). Wszystkie najważniejsze biologiczne substancje funkcjonalne w żywej przyrodzie istnieją w postaci jednego określonego stereoizomeru.

Cząsteczki zawierające wiązania pojedyncze lub wiązania sigma mogą występować w różnych konformacjach, które powstają, gdy grupy atomowe obracają się wokół wiązań pojedynczych. Ważne cechy syntetycznych i biologicznych makrocząsteczek polimerowych są dokładnie określone przez ich właściwości konformacyjne.

Chemiczna kwantowa teoria budowy chemicznej

W kwantowochemicznej teorii budowy chemicznej głównymi parametrami decydującymi o indywidualności cząsteczki są jej konfiguracje elektronowe i przestrzenne (stereochemiczne) . W tym przypadku konfiguracja o najniższej energii, czyli stan energetyczny podstawowy, jest traktowana jako konfiguracja elektronowa, która określa właściwości cząsteczki.

Reprezentacja struktury molekularnej

Cząsteczki składają się z elektronów i jąder atomowych, których położenie w cząsteczce określa wzór strukturalny (do oddania składu stosuje się tzw. wzór ogólny). Cząsteczki białek i niektóre sztucznie syntetyzowane związki mogą zawierać setki tysięcy atomów. Makrocząsteczki polimerowe rozpatrywane oddzielnie.

Cząsteczki są przedmiotem badań teorii budowy cząsteczek , chemii kwantowej , której aparat aktywnie wykorzystuje osiągnięcia fizyki kwantowej , w tym jej gałęzie relatywistyczne. Rozwija się także taka dziedzina chemii jak projektowanie molekularne . Do określenia struktury cząsteczek konkretnej substancji współczesna nauka dysponuje kolosalnym zestawem narzędzi: spektroskopii elektronowej , spektroskopii oscylacyjnej , magnetycznego rezonansu jądrowego i elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz wielu innych, ale obecnie jedynymi metodami bezpośrednimi są metody dyfrakcyjne, takie jak Rentgenowska analiza strukturalna i dyfrakcja neutronów .

Oddziaływanie atomów podczas tworzenia cząsteczki

Natura wiązań chemicznych w cząsteczce pozostawała tajemnicą do czasu powstania mechaniki kwantowej – fizyka klasyczna nie potrafiła wyjaśnić nasycenia i kierunkowości wiązań walencyjnych. Podstawy teorii wiązań chemicznych położyli w 1927 roku Heitler i London na przykładzie najprostszej cząsteczki H 2 . Później znacznie poprawiono teorię i metody obliczeń.

Wiązania chemiczne w cząsteczkach ogromnej większości związków organicznych są kowalencyjne. Wśród związków nieorganicznych znajdują się wiązania jonowe i donor-akceptor, które powstają w wyniku socjalizacji pary elektronów atomowych. Energia tworzenia cząsteczki z atomów w wielu seriach takich związków jest w przybliżeniu addytywna. Oznacza to, że możemy założyć, że energia cząsteczki jest sumą energii jej wiązań, które mają stałe wartości w takich rzędach.

Addytywność energii cząsteczki nie zawsze jest spełniona. Przykładem naruszenia addytywności są płaskie cząsteczki związków organicznych z tzw. wiązaniami sprzężonymi, czyli z wiązaniami wielokrotnymi, które występują naprzemiennie z wiązaniami pojedynczymi. Silna delokalizacja stanów p elektronów prowadzi do stabilizacji cząsteczki. Wyrównanie gęstości elektronowej w wyniku kolektywizacji stanów p elektronów wzdłuż wiązań wyraża się skracaniem wiązań podwójnych i wydłużaniem pojedynczych. W regularnym sześciokącie wiązań międzywęglowych benzenu wszystkie wiązania są takie same i mają średnią długość między długością pojedynczego i podwójnego wiązania. Sprzężenie wiązań jest wyraźnie widoczne w widmach molekularnych. Współczesna kwantowo-mechaniczna teoria wiązań chemicznych uwzględnia obserwowaną w dowolnych cząsteczkach delokalizację nie tylko stanów p - ale także s- elektronów.

W przeważającej większości przypadków całkowity spin elektronów walencyjnych w cząsteczce wynosi zero. Cząsteczki zawierające niesparowane elektrony - wolne rodniki (na przykład atomowy wodór H, metyl · CH 3 ), są zwykle niestabilne, ponieważ gdy wchodzą ze sobą w interakcje, następuje znaczny spadek energii z powodu tworzenia wiązań kowalencyjnych . Mogą istnieć stabilnie w temperaturach, w których średnia energia kinetyczna cząsteczki jest większa lub porównywalna z energią wiązania, ale jednocześnie mniejsza niż energia niszczenia (na przykład jonizacji) rodnika.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Oddziaływanie międzycząsteczkowe to oddziaływanie między elektrycznie obojętnymi cząsteczkami w przestrzeni. W zależności od polarności cząsteczek charakter oddziaływania międzycząsteczkowego jest inny. Natura tego ostatniego pozostawała niejasna aż do powstania mechaniki kwantowej.

Orientacyjny typ oddziaływania międzycząsteczkowego występuje między dwiema cząsteczkami polarnymi, czyli takimi, które mają własny moment dipolowy. Oddziaływanie momentów dipolowych determinuje wynikową siłę - przyciąganie lub odpychanie. Jeśli momenty dipolowe cząsteczek znajdują się na tej samej linii, oddziaływanie cząsteczek będzie bardziej intensywne.

Indukcyjny typ oddziaływania międzycząsteczkowego zachodzi między jedną cząsteczką polarną i jedną niepolarną. W tego typu oddziaływaniu cząsteczka polarna polaryzuje cząsteczkę niepolarną tak, że ładunek cząsteczki niepolarnej, przeciwny do ładunku działającej na nią cząsteczki polarnej, jest przesunięty do końca: ogólnie ładunek dodatni jest przesunięty w kierunku pola elektrycznego wytworzonego przez cząsteczkę polarną, a ładunek ujemny jest przeciwny. Powoduje to polaryzację cząsteczki niepolarnej, czyli zjawisko przemieszczenia związanej powłoki elektronowej względem środka ładunku dodatniego.

Oddziaływania międzycząsteczkowe typu dyspersyjnego występują między dwiema cząsteczkami niepolarnymi. Na ogół momenty dipolowe cząsteczek niepolarnych są równe zeru, jednak w pewnym momencie istnieje prawdopodobieństwo, że elektrony będą rozłożone nierównomiernie w całej objętości cząsteczki. W rezultacie powstaje chwilowy moment dipolowy. W tym przypadku natychmiastowy dipol albo polaryzuje sąsiednie cząsteczki niepolarne, albo oddziałuje z natychmiastowym dipolem innej obojętnej cząsteczki.

Właściwości elektryczne i optyczne cząsteczek

Zachowanie substancji w polu elektrycznym zależy od głównych właściwości elektrycznych cząsteczek - stałego momentu dipolowego i polaryzowalności.

Moment dipolowy oznacza brak koincydencji „środków ciężkości” ładunków dodatnich i ujemnych w cząsteczce (asymetria elektryczna cząsteczki). 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