Struktura a vlastnosti molekul

Všechna těla, která nás obklopují, sestávají z atomů. Atomy se pak shromáždí do molekuly. Je to v důsledku rozdílů v molekulové struktuře, je možné hovořit o různých látek, na základě jejich vlastností a parametrů. Molekuly a atomy jsou vždy v dynamickém stavu. Přesto nemají rozptýlit v různých směrech a jsou drženy v určité struktuře, vděčíme za existenci takové obrovské množství látek na celém světě kolem nás. Co jsou tyto částice a jaké jsou jejich vlastnosti?

Obecné pojmy

Pokud vycházíme z teorie kvantové mechaniky, molekula nespočívá v atomech, ale v jádrech a elektroních, které se navzájem neustále vzájemně ovlivňují.

U některých látek je molekula nejmenší částice, která má složení a chemické vlastnosti samotné látky. Vlastnosti molekul z hlediska chemie jsou tedy určeny jeho chemická struktura a složení. Ale pouze pro látky s molekulární strukturou je pravidlo: chemické vlastnosti látek a molekuly jsou stejné. U některých polymerů, například ethylenu a polyethylenu, kompozice neodpovídá molekulové.

Je známo, že vlastnosti molekul jsou určovány nejen počtem atomů, jejich typem, ale také konfigurací, pořadím spojení. Molekula je složitá architektonická konstrukce, kde každý prvek stojí na svém místě a má své vlastní konkrétní sousedy. Atomová struktura může být víceméně pevná. Každý atom osciluje vzhledem k jeho rovnovážné poloze.

Konfigurace a nastavení

Stává se, že některé části molekuly se otáčejí ve vztahu k ostatním částem. Takže v procesu tepelného pohybu, volná molekula získává bizarní formy (konfigurace).

Obecně jsou vlastnosti molekul určovány vazbou (jeho typem) mezi atomy a architekturou samotné molekuly (struktura, forma). Takže především obecná chemická teorie zvažuje chemické vazby a je založena na vlastnostech atomů.

Se silně výraznou polaritou jsou vlastnosti molekul obtížně popsatelné pomocí dvoj- nebo třístěnných korelací, které jsou dokonale vhodné pro nepolární molekuly. Proto byl zaveden další parametr s dipólovým momentem. Tato metoda však není vždy úspěšná, protože polární molekuly mají individuální charakteristiky. Byly navrženy také parametry pro výpočet kvantových efektů, které jsou důležité při nízkých teplotách.

Co víme o molekule nejvíce hojné látky na Zemi?

Ze všech látek na naší planetě se nejčastěji jedná o vodu. To v doslovném smyslu poskytuje život všemu, co existuje na Zemi. Pouze viry mohou bez něj, jiné živé struktury v jejich složení mají z větší části vodu. Jaké vlastnosti molekuly vody, charakteristické pouze pro ni, se používají v ekonomickém životě člověka a živé povahy Země?

Koneckonců je to opravdu jedinečná látka! Soubor vlastností vlastněných ve vodě se nemůže pochlubit více než žádnou látkou.

Voda je hlavní přírodní rozpouštědlo. Všechny reakce, ke kterým dochází v živých organismech, se vyskytují ve vodním prostředí. To znamená, že látky reagují, když jsou v rozpuštěném stavu.

Voda má vynikající tepelnou kapacitu, ale nízkou tepelnou vodivost. Díky těmto vlastnostem jej můžeme použít jako dopravu tepla. Tento princip je součástí chladicího mechanismu velkého počtu organismů. V jaderné energii sloužily vlastnosti molekuly vody jako záminka pro použití této látky jako chladicí kapaliny. Kromě schopnosti reagovat s jinými látkami může samotná voda vstoupit do reakce: fotolýza, hydratace a další.

Přírodní čistá voda je tekutina, která nemá vůni, barvu a chuť. Ale na tloušťce vrstvy větší než 2 metry se barva stává modrastou.

Celá molekula vody je dipól (dva nepodobné póly). Jedná se o dipólovou strukturu, která určuje především neobvyklé vlastnosti této látky. Molekula vody je diamagnet.

Další zajímavou vlastností je rozmražená voda: její molekula získává zlatou poměrnou strukturu a strukturu látky - poměry zlaté části. Mnoho vlastností, které má molekula vody, je zjištěno analýzou absorpce a emise prokládaných spekter v plynné fázi.

Přírodní vědy a molekulární vlastnosti

Všechny látky, s výjimkou chemických, mají fyzikální vlastnosti molekul, které tvoří jejich strukturu.

Ve fyzikálních vědách se pojem molekul používá k vysvětlení vlastností pevných látek, kapalin a plynů. Schopnost látek difúze, jejich viskozity, tepelná vodivost a další vlastnosti jsou určeny pohyblivost molekul. Když francouzský fyzik Jean Perrin studoval Brownian pohyb, experimentálně prokázal existenci molekul. Všechny živé organismy existují díky jemně vyvážené vnitřní interakci ve struktuře. Všechny chemické a fyzikální vlastnosti látek mají zásadní význam pro přírodní vědy. Vývoj fyziky, chemie, biologie a molekulární fyziky vedl k vzniku takové vědy jako molekulární biologie, která studuje hlavní jevy v životě.

Pomocí statistická termodynamika, fyzikální vlastnosti molekul, které určují technik molekulární spektroskopie fyzikální chemie určit termodynamické vlastnosti látek jsou nezbytné pro výpočet chemické rovnováhy a míry jejího vzniku.

Jaký je rozdíl mezi vlastnostmi atomů a molekul mezi sebou?

Nejdříve se atomy nevyskytují ve volném stavu.

V molekulách jsou optické spektra bohatší. Důvodem je nižší symetrie systému a vzhled možnosti nových otáček a kmitů jádra. V molekule se celková energie skládá ze tří energií, které se liší v pořadí:

• elektronická skořepina (optické nebo ultrafialové záření);
• kmity jader (infračervená část spektra);
• rotaci molekuly jako celku (rádiový frekvenční rozsah).

Atomy vyzařují charakteristické čarové spektrum a molekuly - pruhované, sestávající ze sady řádků vzdálených od sebe.

Spektrální analýza

Optické, elektrické, magnetické a další vlastnosti molekuly jsou také určeny spojením s vlnové funkce. Údaje o stavech molekul a pravděpodobném přechodu mezi nimi ukazují molekulární spektra.

Elektronické přechody v molekulách ukazují chemické vazby a strukturu jejich elektronových skořepin. Spektra, která má větší počet vazeb, mají absorpční pásy s dlouhou vlnovou délkou, které spadají do viditelné oblasti. Pokud je látka vyrobena z takových molekul, má charakteristické zbarvení. Je to všechno organické barviva.

Vlastnosti molekul stejné látky jsou stejné ve všech agregátních stavech. To znamená, že pro stejné látky se vlastnosti molekul kapalných, plynných látek neliší od vlastností pevných látek. Molekula jedné látky má vždy stejnou strukturu, bez ohledu na souhrnný stav samotné látky.

Elektrické vlastnosti

To znamená, že jako látka se chová v elektrickém poli, je určen elektrických vlastností molekul: konstantní polarizovatelnosti a dipólového momentu.

Dvojitým momentem je elektrická asymetrie molekuly. Pro molekuly, které mají střed symetrie, jako je H₂, neexistuje žádný konstantní dipólový moment. Schopnost elektronového pláště molekuly pohybovat se pod vlivem elektrického pole, v důsledku čehož je v něm vytvořen indukovaný dipólový moment, je polarizovatelnost. Chcete-li zjistit hodnotu polarizability a dipólového momentu, je nutné měřit permitivitu.

Chování ve střídavém elektrickém poli světelné vlny je charakterizováno optickými vlastnostmi hmoty, které jsou určeny polarizovatelností molekuly této látky. Přímo s polarizovatelností jsou spojeny: rozptyl, lom, optická aktivita a další jevy molekulární optiky.

Často se slyší otázka: "Co na rozdíl od molekul dělá vlastnosti látky závislé na?" Odpověď na to je docela jednoduchá.

Vlastnosti látek jsou kromě izometrie a krystalové struktury určovány teplotou prostředí, samotnou látkou, tlakem, přítomností nečistot.

Chemie molekul

Před vytvořením takového vědy, kvantové mechaniky, povaha chemických vazeb v molekulách byly nevyřešené tajemství. Klasická fyzika nedokázala vysvětlit směr a nasycení valenčních vazeb. Po vytvoření základní teoretické informace o chemické vazby (1927) pro příklad nejjednoduššího molekuly H2, teorie a metody výpočtu byly postupně zlepšila. Například, na základě širokého uplatnění molekulární okružní metody, kvantové chemii, bylo možné vypočítat meziatomových vzdálenost, energii molekul a chemických vazeb, rozložení hustoty elektronů a další údaje, které mohou dobře se shodují s experimentálními.

Látky se stejným složením, ale s odlišnou chemickou strukturou a různými vlastnostmi se nazývají strukturní izomery. Mají různé strukturní vzorce, ale jsou stejné molekulární.

Různé typy strukturní izomerie jsou známy. Rozdíly jsou v struktuře uhlíkového skeletu, poloha funkční skupiny nebo poloha vícenásobné vazby. Kromě toho existují prostorové izomery, ve kterých jsou vlastnosti molekuly látky charakterizovány stejným složením a chemickou strukturou. Proto mají stejné strukturní a molekulární vzorce. Rozdíly jsou v prostorové formě molekuly. Zvláštní vzorce se používají k reprezentování různých prostorových izomerů.

Existují sloučeniny nazvané homology. Jsou podobné ve struktuře a vlastnostech, ale liší se složením jednou nebo více skupinami CH2. Všechny látky podobné ve struktuře a vlastnostech jsou spojeny v homologických řadách. Po prozkoumání vlastností jednoho homologu lze mluvit o jakémkoli jiném z nich. Sada homologů je řada homologů.

Při transformaci struktury hmoty se chemické vlastnosti molekul drasticky mění. Příklady jsou i ty nejjednodušší sloučeniny: methan, zahrnující i jeden atom kyslíku, se stává jedovatý kapalinu s názvem methanolu (MeOH - CH 3OH). Jeho chemická komplementarita a působení na živé organismy se proto liší. Podobné, ale složitější změny nastávají, když jsou modifikovány struktury biomolekul.

Chemické molekulární vlastnosti silně závisí na struktuře a vlastnostech molekul: na energetických vazbách v něm a na geometrii samotné molekuly. Zvláště pracuje v biologicky aktivních látkách. Která konkurenční reakce převládá, je často určována pouze prostorovými faktory, které naopak závisí na původních molekulách (jejich konfiguracích). Jedna molekula, která má "nepohodlnou" konfiguraci, vůbec nereaguje a druhá molekula, která má stejné chemické složení, ale odlišnou geometrii, může reagovat okamžitě.

Velké množství biologických procesů pozorovaných během růstu a reprodukce je spojeno s geometrickými vztahy mezi reakčními produkty a výchozími látkami. Pro informaci: působení značného počtu nových léčiv je založeno na podobné struktuře molekul jakékoliv sloučeniny, která je biologicky škodlivá pro lidské tělo. Lék nahradí škodlivou molekulu a ztěžuje to.

Použití chemických vzorců vyjadřuje složení a vlastnosti molekul různých látek. Na základě molekulové hmotnosti, chemická analýza atomový poměr je stanoven a je vytvořen empirický vzorec.

Geometrie

Stanovení geometrické struktury molekuly se provádí s přihlédnutím k rovnovážnému uspořádání atomových jader. Energie interakce atomů závisí na vzdálenosti mezi jádry atomů. Při velmi velkých vzdálenostech je tato energie nulová. Když se atomy sbližují, začne se vytvářet chemická vazba. Pak jsou atomy silně přitahovány k sobě.

Pokud je slabá přitažlivost, vytvoření chemické vazby není nutné. Pokud se atomy začínají přibližovat blíže vzdálenosti, začínají působit elektrostatické odpudivé síly mezi jádry. Překážkou pro silnou konvergenci atomů je neslučitelnost jejich vnitřních elektronových nábojů.

Rozměry

Pouhým okem je nemožné vidět molekuly. Jsou tak malé, že ani mikroskop s 1000násobným zvětšením nám nepomůže rozpoznat je. Biologové pozorují bakterie velikosti 0,001 mm. Ale molekuly jsou stovky a tisíce krát menší než ty.

Dnes je struktura molekul určité látky určována difrakčními metodami: neutronovou difrakcí, rentgenovou difrakční analýzou. Tam je také vibrační spektroskopie a elektronová paramagnetická metoda. Volba metody závisí na druhu látky a jejím stavu.

Velikost molekuly je podmíněná hodnota, pokud vezmeme v úvahu elektronovou skořepinu. Bod je ve vzdálenosti elektronů od atomových jader. Čím větší jsou, pravděpodobnost nalezení elektronů molekuly je menší. V praxi lze velikost molekul určit s ohledem na rovnovážnou vzdálenost. Jedná se o interval, ve kterém se molekuly samy o sobě mohou spojit v hustém obalu v molekulárním krystalu av kapalině.

Dlouhé vzdálenosti mají molekuly k gravitaci a malé, naopak k odpuzování. Proto rentgenová difrakční analýza molekulových krystalů pomáhá nalézt velikost molekuly. Použitím koeficientu difúze, tepelné vodivosti a viskozity plynů, stejně jako hustoty hmoty v kondenzovaném stavu lze určit velikost molekulových rozměrů.