oben Molekulare Chemie (Englisch) - ein Gebiet der Chemie, das supramolekulare Strukturen untersucht (Ensembles, die aus zwei oder mehr Molekülen bestehen, die durch Mittel zusammengehalten werden); "Chemie molekularer Ensembles und intermolekularer Bindungen" (Definition von J.-M. Lena).

Beschreibung

Die traditionelle Chemie basiert auf kovalenten Bindungen zwischen Atomen. Gleichzeitig werden sie zur Synthese komplexer Nanosysteme und molekularer Bauelemente eingesetzt kovalente Chemie nicht genug, denn solche Systeme können mehrere tausend Atome enthalten. Abhilfe schaffen intermolekulare Wechselwirkungen – sie helfen dabei, einzelne Moleküle zu komplexen Ensembles zu verbinden, die als supramolekulare Strukturen bezeichnet werden.

Das einfachste Beispiel supramolekulare Strukturen sind Wirt-Gast-Komplexe. Der Wirt (Rezeptor) ist normalerweise groß organisches Molekül mit einem Hohlraum in der Mitte, und der Gast ist ein einfacheres Molekül oder Ion. Beispielsweise binden zyklische Polyester verschiedener Größen (Kronenether) ziemlich stark Ionen. Alkali Metalle(Abb. 1).

Supramolekulare Strukturen sind durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet.

1. Das Vorhandensein von nicht einem, sondern mehreren Bindungszentren im Wirt. Bei Kronenethern übernehmen diese Rolle Sauerstoffatome mit freien Elektronenpaaren.

2. Komplementarität: geometrische Strukturen und elektronische Eigenschaften Gastgeber und Gast ergänzen sich. Bei Kronenethern äußert sich dies darin, dass der Hohlraumdurchmesser dem Ionenradius entsprechen sollte. Komplementarität ermöglicht es dem Wirt, Gäste einer genau definierten Struktur selektiv zu binden. In der supramolekularen Chemie wird dieses Phänomen als "" (engl. - Molecular Recognition) bezeichnet (Abb. 2).

3. Komplexe mit eine große Anzahl Verbindungen zwischen komplementärem Gastgeber und Gast haben eine hohe strukturelle Organisation.

Supramolekulare Strukturen sind in der Natur sehr weit verbreitet. Alle Reaktionen in lebenden Organismen laufen unter Beteiligung von Proteinkatalysatoren ab. Enzyme sind ideale Wirtsmoleküle. Das aktive Zentrum jedes Enzyms ist so ausgelegt, dass nur die ihm in Größe und Energie entsprechende Substanz (Substrat) hineingelangt; das Enzym reagiert nicht mit anderen Substraten. Ein weiteres Beispiel für supramolekulare biochemische Strukturen sind Moleküle, in denen zwei Polynukleotidketten durch viele Wasserstoffbrückenbindungen komplementär miteinander verknüpft sind. Jede Kette ist sowohl Gast als auch Gastgeber für die andere Kette.

Die Haupttypen nichtkovalenter Wechselwirkungen, die supramolekulare Strukturen bilden, sind ionische und . Alle nicht-kovalenten Wechselwirkungen sind schwächer als kovalente – ihre Energie erreicht jedoch selten 100 kJ / mol große Nummer Bindungen zwischen Wirt und Gast sorgen für die hohe Stabilität supramolekularer Anordnungen. Nicht-kovalente Wechselwirkungen sind individuell schwach, aber kollektiv stark.

Die Bildung supramolekularer Ensembles kann spontan erfolgen - dieses Phänomen wird genannt. Dies ist ein Prozess, bei dem sich kleine molekulare Komponenten spontan zu viel größeren und komplexeren supramolekularen zusammenfügen. Während der Selbstorganisation nimmt die Entropie des Systems ab, Δ S

Δ G = Δ H – TΔ S

es ist notwendig, dass Δ H h| > | TΔ S|. Dies bedeutet, dass die Selbstorganisation unter Freisetzung einer großen Wärmemenge erfolgt. Heim treibende Kraft Selbstorganisation ist der Wunsch chemischer Systeme, die Gibbs-Energie durch die Bildung neuer chemischer Bindungen zu senken, der Enthalpieeffekt überwiegt hier den Entropieeffekt.

Die Hauptklassen supramolekularer Verbindungen sind Cavitanden, Kryptanden, Calixarene, Gast-Wirt-Komplexe, Catenane, . Auch supramolekulare Strukturen können zugeschrieben werden,.

Methoden der supramolekularen Chemie finden Breite Anwendung in chemische Analyse, Medizin,

Analysiert wird die Entwicklung des Wissenschaftsgebiets der Supramolekularen Chemie. Die wichtigsten Definitionen und Konzepte dieser Disziplin werden gegeben. In einem historischen Kontext werden die Studien betrachtet, die die Grundlagen der supramolekularen Chemie gelegt haben. Beispiele für einige seiner typischen Objekte, Clathrate und Cyclodextrine, werden angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die neuesten Errungenschaften in der supramolekularen Chemie und die meisten vielversprechende Bereiche seine Anwendungen sind mit den Prozessen der Selbstorganisation und Selbstorganisation verbunden, die insbesondere in der supramolekularen Synthese und der Herstellung molekularer und supramolekularer Geräte implementiert werden können.

Supramolekulare Chemie. Hintergrund

Die supramolekulare Chemie ist eine der jüngsten und zugleich rasant Entwicklungsgebiete Chemie. In den 25-30 Jahren seines Bestehens hat es bereits eine Reihe von bestanden Meilensteine, aber gleichzeitig sind die grundlegenden Ideen und Konzepte dieser Disziplin noch nicht bekannt und allgemein akzeptiert. In diesem Aufsatz haben wir versucht, die Entwicklung des als supramolekulare Chemie bezeichneten Wissenschaftsgebiets nachzuzeichnen, die erfolgreichsten Definitionen seiner Hauptaufgaben zu identifizieren und zu identifizieren die wichtigsten Begriffe und skizzieren den aktuellen Stand und die Perspektiven.

Der Begriff „supramolekulare Chemie“ und die Grundkonzepte dieser Disziplin wurden von dem französischen Wissenschaftler J.-M. Lenom im Jahr 1978 im Rahmen der Entwicklung und Verallgemeinerung von mehr frühe Arbeit(insbesondere 1973 tauchte in seinen Werken der Begriff „Supermolekül“ auf). Supramolekulare Chemie wurde mit den Worten definiert: "So wie es ein Gebiet der Molekülchemie gibt, das auf kovalenten Bindungen basiert, gibt es auch ein Gebiet der supramolekularen Chemie, der Chemie molekularer Ensembles und intermolekularer Bindungen." In der Folge wurde diese erste Definition mehrfach umformuliert. Ein Beispiel für eine andere Definition von Len: „Supramolekulare Chemie ist „eine Chemie jenseits des Moleküls“, die die Struktur und Funktion von Assoziationen von zwei oder mehr chemischen Spezies untersucht, die durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden“.

In vielen Fällen können die Komponenten, die supramolekulare Systeme bilden, als (in Analogie zu den in betrachteten Systemen) bezeichnet werden Molekularbiologie) molekularer Rezeptor und Substrat, wobei letzteres die kleinere Komponente ist, die gebunden werden muss.

Um ein chemisches Objekt angemessen zu beschreiben, ist es notwendig, seine Elemente und die Art der Bindungen zwischen ihnen sowie räumliche (geometrische, topologische) Eigenschaften anzugeben. Die Objekte der supramolekularen Chemie, die Supermoleküle, haben dieselbe Gewissheit wie die einzelnen Moleküle, aus denen sie bestehen. Man kann sagen, dass "Supermoleküle in Bezug auf Moleküle das sind, was Moleküle in Bezug auf Atome sind, und die Rolle kovalenter Bindungen in Supermolekülen durch intermolekulare Wechselwirkungen gespielt wird".

Laut Lehn kann die supramolekulare Chemie in zwei große, sich überschneidende Bereiche unterteilt werden:

– die Chemie der Supermoleküle – deutlich markierte oligomolekulare Partikel, die aus der intermolekularen Assoziation mehrerer Komponenten – des Rezeptors und seines Substrats (Substrate) resultieren und auf dem Prinzip der molekularen Erkennung aufgebaut sind;

- Chemie molekularer Ensembles - polymolekulare Systeme, die durch spontane Assoziation einer unbestimmten Anzahl von Komponenten mit Übergang in eine bestimmte Phase entstehen, die eine mehr oder weniger klar definierte mikroskopische Organisation und von ihrer Natur abhängige Eigenschaften hat (z. Clathrate, Membranen, Vesikel, Micellen).

Supramolekulare Formationen können durch die räumliche Anordnung der Komponenten, ihre Architektur, "Suprastruktur", sowie die Art der intermolekularen Wechselwirkungen, die die Komponenten zusammenhalten, charakterisiert werden. Supramolekulare Ensembles haben wohldefinierte strukturelle, konformative, thermodynamische, kinetische und dynamische Eigenschaften, bei denen verschiedene Arten von Wechselwirkungen unterschieden werden können, die sich in Stärke, Richtung, Abstands- und Winkelabhängigkeit unterscheiden: Koordinationswechselwirkungen mit Metallionen, elektrostatische Kräfte, Wasserstoff Bindungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Donor-Akzeptor-Wechselwirkungen usw. Die Stärke der Wechselwirkungen kann variieren große Auswahl, von schwach oder mäßig, wie bei der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen, bis stark und sehr stark, wie bei der Bildung von Koordinationsbindungen mit einem Metall. Im Allgemeinen sind intermolekulare Wechselwirkungen jedoch schwächer als kovalente Bindungen, sodass supramolekulare Assoziate thermodynamisch weniger stabil, kinetisch labiler und dynamisch flexibler als Moleküle sind.

Somit umfasst die supramolekulare Chemie alle Arten von molekularen Assoziaten, von den kleinstmöglichen (Dimer) bis zu den größten (organisierte Phasen), und ermöglicht es, sie von einem einheitlichen Standpunkt aus zu betrachten. Gleichzeitig muss noch einmal betont werden, dass die Objekte der Supramolekularen Chemie notwendigerweise Teile (Subsysteme) enthalten, die nicht kovalent verbunden sind.

Lehn schlug vor, den Übergang von der molekularen zur supramolekularen Chemie mit dem in Abb. eines .

Die Hauptfunktionen von Supermolekülen: molekulare Erkennung, Transformation (Katalyse) und Übertragung. Funktionelle Supermoleküle zusammen mit organisierten polymolekularen Anordnungen und Phasen können verwendet werden, um molekulare und supramolekulare Vorrichtungen herzustellen.

Neben Lehn sind auch C. J. Pedersen und D. J. Crum zu nennen, deren Arbeiten und Forschungen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der supramolekularen Chemie spielten. 1987 erhielten diese drei Wissenschaftler den Nobelpreis für Chemie (für ihren entscheidenden Beitrag zur Entwicklung der Chemie makroheterocyclischer Verbindungen, die selektiv Wirt-Gast-Molekülkomplexe bilden können).

Forschung, die die Grundlagen der supramolekularen Chemie legte

Die Ursprünge der Grundkonzepte der supramolekularen Chemie finden sich in Arbeiten, die in der Vergangenheit und zu Beginn dieses Jahrhunderts durchgeführt wurden. So führte P. Ehrlich 1906 tatsächlich die Begriffe Rezeptor und Substrat ein und betonte, dass Moleküle nicht miteinander reagieren, wenn sie nicht vorher eine bestimmte Bindung eingehen. Allerdings soll die Bindung nicht beliebig, sondern selektiv sein. Dies wurde bereits 1894 von E. Fischer betont, als er sein „Schlüssel-Schloss“-Prinzip formulierte, ein Prinzip, das darauf hindeutet, dass die sterische Übereinstimmung, die geometrische Komplementarität von Rezeptor und Substrat, die Grundlage der molekularen Erkennung ist. Schließlich erfordert selektive Bindung Wechselwirkung, Affinität zwischen Partnern, und die Wurzeln dieser Idee finden sich in den Arbeiten von A. Werner, der die supramolekulare Chemie in dieser Hinsicht zu einer Verallgemeinerung und Weiterentwicklung der Koordinationschemie macht.

Laut J.-M. Len, diese drei Konzepte – Fixierung (Bindung), Erkennung und Koordination – legten den Grundstein für die supramolekulare Chemie.

Auch einige andere Konzepte der supramolekularen Chemie sind seit langem bekannt. Sogar der Begriff « Übermolekül“, d.h. Super- oder Supermolekül wurde bereits Mitte der 30er Jahre eingeführt. unseres Jahrhunderts, um eine höhere Organisationsebene zu beschreiben, die aus der Assoziation koordinativ gesättigter Moleküle (z. B. während der Bildung eines Dimers) entsteht Essigsäure). War bekannt essentielle Rolle Supramolekulare Organisation in der Biologie.

Allerdings ist die Entstehung und Entwicklung der supramolekularen Chemie als eigenständiges Gebiet im System chemische Wissenschaften geschah viel später. Hier ist, was J.-M. Len in seinem Buch: „... für die Entstehung und schnelle Entwicklung Neu wissenschaftliche Disziplin eine Kombination von drei Bedingungen ist erforderlich. Zunächst gilt es, ein neues Paradigma zu erkennen, das die Wichtigkeit des Disparaten aufzeigt und auf den ersten Blick nicht verwandte Beobachtungen, Daten, Ergebnisse und deren Zusammenführung zu einem zusammenhängenden Ganzen. Zweitens werden Werkzeuge benötigt, um Objekte in diesem Bereich zu untersuchen, und hier hat die Entwicklung moderner Technologien eine entscheidende Rolle für die supramolekulare Chemie gespielt. physikalische Methoden Struktur- und Eigenschaftsstudien (IR-, UV- und insbesondere NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie, Röntgenbeugung etc.), die es ermöglichen, sogar relativ labile supramolekulare Ensembles zu untersuchen, die durch niederenergetische nichtkovalente Wechselwirkungen gekennzeichnet sind. Drittens müssen Sie bereit sein wissenschaftliche Gemeinschaft das neue Paradigma annehmen, damit neue Disziplin nicht nur bei direkt daran beteiligten Fachleuten, sondern auch in nahen (und nicht sehr nahen) Wissenschaftsbereichen eine Resonanz finden könnte. Dies ist mit der supramolekularen Chemie geschehen, soweit man dies anhand des rasanten Tempos ihrer Entwicklung und ihres Vordringens in andere Disziplinen in den letzten 25 Jahren beurteilen kann.

Laut Lehn „begann die supramolekulare Chemie, wie wir sie heute kennen, mit der Untersuchung der selektiven Bindung von Alkalimetallkationen durch natürliche und synthetische makrocyclische und makropolycyclische Liganden, Kronenether und Kryptanden“ .

Unter diesen Naturstoffen ist vor allem das Antibiotikum Valinomycin hervorzuheben. Entschlüsselung seiner Struktur im Jahr 1963, in der riesiger beitrag die von sowjetischen Wissenschaftlern unter der Leitung von Yu. A. Ovchinnikov eingeführt wurde, ging weit über die übliche Entdeckung hinaus. Dieses zyklische Depsipeptid (es besteht aus Amino- und Hydroxysäureresten, die durch Amid- und Esterbindungen miteinander verbunden sind) erwies sich als das erste unter den membranaktiven Komplexonen oder Ionophoren. Solche Namen spiegeln die Fähigkeit dieser Substanzen wider, in Lösungen Komplexverbindungen mit Alkalikationen zu bilden und das gebundene Kation durchzuleiten biologische Membranen. Mit der Entdeckung der Ionophore wurde die Möglichkeit der gezielten Regulierung von Ionenflüssen in lebenden Systemen real. Für Arbeiten auf dem Gebiet membranaktiver Komplexone wurden Ovchinnikov und seine Mitarbeiter 1978 ausgezeichnet Lenin-Preis.

CHEMIE ORGANISCH. MOLEKULARE STRUKTUR
A. CHEMISCHE BINDUNGEN VON KOHLENSTOFF
Die chemische Natur von Kohlenstoff, ein Mittelding zwischen Metallen und typischen Nichtmetallen, ermöglicht es ihm, kovalente Bindungen mit einer großen Anzahl von Elementen zu bilden, am häufigsten mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Halogenen, Schwefel und Phosphor. Kohlenstoff bildet Bindungen mit ein hohes Maß ionischer Natur mit elektropositiveren Metallen, aber solche Substanzen sind hoch reaktiv und werden als Zwischenprodukte in der Synthese verwendet. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind von Natur aus kovalent und einfach (einfach), doppelt, dreifach und aromatisch
(siehe MOLEKÜLSTRUKTUR).
aromatische Systeme. Benzol - der Vorfahre der Klasse der aromatischen Verbindungen - hat eine einzigartige Stabilität und geht chemische Reaktionen ein, die sich von den Reaktionen nichtaromatischer Systeme unterscheiden. Es gibt andere aromatische Systeme, von denen die gebräuchlichsten p-Orbitale haben, die für die p-Bindungsbildung an jedem Atom des Rings verfügbar sind. Aromatisch in ihren Eigenschaften sind auch fünfgliedrige Ringsysteme mit zwei konjugierten (dh abwechselnd mit Einfach-) Doppelbindungen und einem fünften Atom, das ein freies Elektronenpaar trägt. Nachfolgend sind einige dieser Systeme aufgeführt:

Das Konzept der Aromatizität wurde von dem deutschen Chemiker E. Hückel verallgemeinert. Nach der Hückel-Regel sind planare zyklische konjugierte Systeme mit 4n + 2 p-Elektronen aromatisch und stabil, während die gleichen Systeme mit 4n p-Elektronen antiaromatisch und instabil sind.
Stabilität zyklischer Systeme. Valenzwinkel (Winkel zwischen Bindungen) in einem unbetonten Fragment C-C-C beträgt 109°, und Ringe, die diesen Wert beibehalten, sind stabiler als solche, bei denen die Winkel stark von diesem Wert abweichen. Die Spannung, die in zyklischen Systemen durch die Verzerrung von Bindungswinkeln entsteht, wird als Bayer-Spannung bezeichnet - nachher Deutscher Chemiker A. Bayer, der als erster eine solche Erklärung für die Stabilität gesättigter Ringe vorschlug. So werden in dreigliedrigen Ringen, wo der Bindungswinkel nur 60° beträgt, die Ringe stark gespannt und brechen leicht; einige ihrer Reaktionen ähneln C=C-Doppelbindungsreaktionen. Die Vierringe werden ebenfalls verspannt (Bindungswinkel 90°), aber nicht so stark. Die fünfgliedrigen Ringe sind fast flach und haben einen Winkel von 108°; daher sind sie unbelastet und stabil. In sechsgliedrigen Ringen wie Cyclohexan liegen die Kohlenstoffatome nicht in einer Ebene; solche Zyklen werden gefaltet, was die Ringspannung reduziert. Am häufigsten sind fünf- und sechsgliedrige Ringe. Große Ringe sind auch in der Lage, Winkelspannungen durch Faltenbildung abzubauen, aber in einigen von ihnen (sieben- bis zwölfgliedrige) Wasserstoffatome pro gegenüberliegende Seiten die Ringe nähern sich so weit, dass ihre Abstoßung die Verbindung instabiler macht (Prelog-Spannung, benannt nach dem Schweizer Chemiker V. Prelog, der diesen Effekt entdeckte).
Tautomerie. Wenn sich ein Molekül oder Ion als mehrere Strukturen darstellen lässt, die sich nur in der Verteilung der Elektronen voneinander unterscheiden, nennt man diese Strukturen resonant, und die resonanten Formen stehen nicht miteinander im Gleichgewicht, sondern nur die eigentliche elektronische Struktur des Moleküls etwas zwischen diesen Extremen. Es gibt jedoch Situationen, in denen sich Atome in einem Molekül bewegen, wenn normale Bedingungen so schnell, dass sich spontan ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Molekülformen einstellt. Dieses Phänomen wird Tautomerie genannt. Ein Beispiel ist das Gleichgewicht zwischen Keton und Enol (Keto-Enol-Tautomerie):

Dabei unterscheiden sich die beiden Verbindungen nur in der Anordnung des Wasserstoffkations und des Elektronenpaares (in der p-Bindung). Das Gleichgewicht stellt sich schnell ein, ist aber stark in Richtung Ketoform verschoben. Daher sind Alkohole mit der -C=C-OH-Struktur normalerweise instabil und wandeln sich schnell in die Ketoform um, es sei denn, es gibt einige strukturelle Merkmale, die die Enolform stabilisieren, z. B. in Phenolen, die bei Umwandlung ihren aromatischen Charakter verlieren würden die Keto-Form:

Tautomerie ist üblich in Molekülen mit der Struktur -CH=X oder -C=XH, wobei X S, O oder N ist. Daher ordnet sich das H2C=C(NH2)-CH3-Molekül schnell zu H3C-C(=NH) um )-CH3 und R-C(OH)=NH-Imide lagern sich zu R-C(=O)NH2-Amiden um. Tautomerie ist in biologisch wichtigen heterocyclischen Systemen wie Barbitursäure und verwandten Verbindungen üblich:

Solche Substanzen im tautomeren Gleichgewicht gehen oft Reaktionen ein, die für beide Formen charakteristisch sind.
Andere schnelle Gleichgewichte. Andere schnelle Gleichgewichte zwischen Molekülen mit verwandten Strukturen sind ebenfalls bekannt. Wenn sich zwei der OH-, SH- oder NH2-Gruppen am selben Kohlenstoffatom befinden, ist die Verbindung im Vergleich zur doppelt gebundenen Form normalerweise instabil:

Es gibt Fälle, in denen dieses Gleichgewicht in Richtung der Dihydroxyverbindung verschoben ist. Gasförmiger Formaldehyd hat die Struktur CH2=O, aber in wässrige Lösung es bindet ein Wassermolekül an und nimmt HO-CH2-OH als vorherrschende Form an. Chloralhydrat Cl3CCH(OH)2 ist aufgrund der elektronenziehenden Wirkung von drei Chloratomen in der Dihydroxylform stabil.
B. ISOMERIE
Isomerie der Kohlenstoffkette. Moleküle, die sich nur in der Verzweigung der Kohlenstoffkette unterscheiden, nennt man Kettenisomere. Ein Beispiel wurde bereits genannt - dies ist ein Isomerenpaar aus n-Butan und Isobutan.
Isomerie funktionelle Gruppen. Moleküle mit gleichen Bruttoformeln, aber unterschiedlichen funktionellen Gruppen sind beispielsweise funktionelle Isomere Äthanol C2H5OH und Dimethylether CH3-O-CH3.
Positionsisomerie. Positionsisomere haben die gleichen Gesamtformeln und funktionellen Gruppen, aber die Positionen der funktionellen Gruppen in ihren Molekülen sind unterschiedlich. Somit sind 1-Chlorpropan CH3CH2CH2Cl und 2-Chlorpropan CH3CHClCH3 Positionsisomere.
Geometrische Isomerie. Geometrische Isomere bestehen aus identischen Atomen, die in derselben Reihenfolge verbunden sind, sich jedoch in der räumlichen Anordnung dieser Atome relativ zueinander unterscheiden Doppelbindungen oder Ringe. Die cis-trans-Isomerie von Olefinen und die syn-anti-Isomerie von Oximen gehören zu diesem Typ.

Optische Isomerie. Moleküle werden als optische Isomere bezeichnet, wenn sie aus identischen Atomen bestehen, die in gleicher Weise verbunden sind, sich aber in der räumlichen Anordnung dieser Atome in gleicher Weise unterscheiden wie rechte Hand anders als links. Eine solche Isomerie ist nur möglich, wenn das Molekül asymmetrisch ist, d.h. wenn es keine Symmetrieebene hat. Der einfachste Weg zu einer solchen Situation - die Bindung von vier verschiedenen Gruppen an das Kohlenstoffatom. Dann wird das Molekül asymmetrisch und existiert in zwei isomeren Formen. Die Moleküle unterscheiden sich nur in der Reihenfolge der Anlagerung an das zentrale Kohlenstoffatom, das als asymmetrisches Kohlenstoffatom oder Chiralitätszentrum bezeichnet wird, da es mit vier verbunden ist verschiedene Gruppen. Beachten Sie, dass die beiden optischen Isomere sind Spiegelbild einander; Sie werden "Enantiomere" oder "optische Antipoden" genannt und haben die gleichen physikalischen und Chemische Eigenschaften, außer dass sie die Ebene des polarisierten Lichts nach innen drehen gegenläufige Richtungen und reagieren unterschiedlich mit Verbindungen, die selbst optische Isomere sind. Ein Isomer, das die Ebene des polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn dreht, wird als d- (von "dextro" - rechts) oder (+)-Isomer bezeichnet; Das Isomer, das sich leicht gegen den Uhrzeigersinn dreht, wird als l- (von "links" - links) oder (-)-Isomer bezeichnet. Wenn mehr als ein Asymmetriezentrum in einem Molekül vorhanden ist, beträgt die maximal mögliche Anzahl optischer Isomere 2n, wobei n die Anzahl der Asymmetriezentren ist. Manchmal sind einige dieser Isomere identisch, was die Zahl optischer Isomere verringert. Somit sind meso-Isomere optische Isomere, die optisch inaktiv sind, weil sie eine Symmetrieebene haben. Optische Isomere, die keine Spiegelbilder sind, werden "Diastereomere" genannt; sie unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften in der gleichen Weise, wie sich geometrische Isomere in ihnen unterscheiden. Diese Unterschiede lassen sich am Beispiel von geradkettigen Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen veranschaulichen folgende Struktur: CH2OH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-CHO. Hier sind vier asymmetrische Atome, markiert mit einem Sternchen, jeweils mit vier verschiedenen Gruppen verbunden; somit sind 24 oder 16 Isomere möglich. Diese 16 Isomere bilden 8 Enantiomerenpaare; jedes Paar, das keine Enantiomere sind, sind Diastereomere. Sechs dieser 16 Zucker werden im Folgenden als sogenannte dargestellt. Fisher-Projektionen.

Die Bezeichnungen D- und L- für Enantiomere beziehen sich nicht auf die Rotationsrichtung (bezeichnet als d oder l), sondern auf die Position des OH am niedrigsten (in der Fischer-Projektion) asymmetrischen Kohlenstoff: Wenn OH rechts ist, das Isomer wird als D bezeichnet, wenn links L. D- und L-Formen von Glucose haben die gleichen Schmelzpunkte, Löslichkeiten usw. Andererseits haben Glucose und Galactose, die Diastereomere sind verschiedene Punkte Schmelzen, Löslichkeit usw.

Collier Enzyklopädie. - Offene Gesellschaft. 2000 .

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Der Zweig der Chemie, der Kohlenstoffverbindungen untersucht, zu denen zunächst die Substanzen gehören, aus denen sie bestehen die meisten lebende Materie (Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Vitamine, Terpene, Alkaloide usw.); zweitens viele Substanzen, ... ... Collier Enzyklopädie

Dieser Begriff hat andere Bedeutungen, siehe Chemie (Bedeutungen). Chemie (aus dem Arabischen کيمياء‎, das vermutlich aus dem ägyptischen Wort km.t (schwarz) stammt, woraus der Name Ägypten, schwarze Erde und Blei „schwarz ... ... Wikipedia

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Die Chemie von Molekülen wie C2H2, N2H2 und H202 wird durch die Orbitale bestimmt, die durch die Kombination von px - und py - A gebildet werden. In linearem Acetylen führen diese Orbitale zu gefüllten tsv - und freien icg - Orbitalen (Kap. Das Molekül , hat natürlich Achsensymmetrie.

Die Chemie des Kohlenmonoxidmoleküls lässt sich teilweise gut durch diese Form erklären, deren Äquivalent im Sinne der Molekülorbitaltheorie hier nicht betrachtet wird. In dieser Struktur hat Kohlenstoff ein isoliertes Elektronenpaar und eine leere Umlaufbahn, da der Kohlenstoffkern nur von einem Sextett von Elektronen statt dem üblichen Oktett umgeben ist. Basierend auf diesen Überlegungen kann erwartet werden, dass Kohlenmonoxid auch in der Lage ist, mit nukleophilen Gruppen, beispielsweise Basen, in Wechselwirkung zu treten, die eine Elektronenquelle sein können, um ein Oktett zu füllen. Tatsächlich sind ähnliche Kohlenmonoxidreaktionen bekannt; einige von ihnen werden auch weiter unten besprochen.

Die Chemie der Moleküle ist nach wie vor die moderne organische Chemie. Bei anorganischen Verbindungen ist die molekulare Form der Existenz eines Stoffes jedoch nur für den Gas- und Dampfzustand charakteristisch.

Die Chemie der Moleküle ist nach wie vor moderne organische Chemie, und die meisten anorganischen Substanzen haben dies nicht molekulare Struktur. BEI letzter Fall Makrokörper bestehen entweder aus Atomen derselben Chemisches Element, oder von Atomen verschiedene Elemente. Die Anerkennung der nichtmolekularen Form der Existenz eines festen Stoffes führt zu der Notwendigkeit, einige Bestimmungen der chemischen Atomistik zu überarbeiten, die grundlegenden Gesetze und Konzepte zu modernisieren, die für die pneumatische (Gas-)Chemie gelten.

In der Molekularchemie gibt es zwei Grundlagen.

B. in der Molekularchemie, exotherme u endotherme Reaktionen. Die Bestimmung von Betrag und Vorzeichen des thermischen Effekts von Reaktionen kann mit dem Äquivalenzgesetz von Masse und Energie erfolgen.

Die Gruppentheorie findet hier viel breitere Anwendung als in der Molekularchemie. Dabei ist die Ableitung der Gesetzmäßigkeiten des Teilchenmassenspektrums aus fundamentalen Prinzipien etwa der Geometrodynamik hier deutlich problematischer als die Berechnung der Bindungsenergie eines Moleküls mit der Schrödinger-Gleichung.

Ein solcher Wunsch, die Ideen und Theorien zu verbreiten, die in den Eingeweiden gewachsen sind organische Chemie(Chemie der Moleküle), auf dem Gebiet der anorganischen Chemie, wie uns jetzt klar ist, sich hauptsächlich deshalb als illegal erwiesen hat Anorganische Verbindungen sind in der Regel nichtmolekulare Systeme. In den gleichen Systemen, nicht kovalent, aber ionische Bindungen. Die Besonderheit komplexe Verbindungen ist, dass sie Verbindungen von Molekülen sind, nicht von Atomen.

Zunächst ging es nur um Cofaktoren, die jedoch häufig auf der Grundlage der Analyse kristalliner Strukturverbände gefunden und trotz fehlenden Materials zum Zusammenhang zwischen Molekülchemie und Kristallchemie in die Molekülchemie übertragen wurden. Für Verbindungen bestimmter Klassen sind diese Beziehungen so einfach, dass sie es erlauben, den Teilchen bestimmte Valenzen vorzubelegen, aus denen sich die eigentlichen Koeffizienten ableiten lassen. Es darf nicht übersehen werden, dass diese Regelmäßigkeit (die aufgrund zahlreicher Schwierigkeiten nicht als selbstverständlich angesehen werden kann Chemische Komponenten allgemein) nur aus geochemischen Gründen so schnell Anerkennung fanden. Sauerstoff ist wesentliches Elementäußeren Lithosphäre, und genau auf der Grundlage der Beziehung zwischen der Anzahl der Sauerstoffatome und anderen Elementen in Sauerstoffverbindungen es wurde die Regel abgeleitet, dass für elektrisch neutrale Assoziationen keine stöchiometrischen Verhältnisse möglich sind.

Zunächst ging es nur um Koeffizienten, die jedoch oft auf der Grundlage einer Analyse kristalliner Strukturzusammenhänge gefunden und auf die Molekülchemie übertragen wurden, trotz des Mangels an Material über die Beziehung zwischen Molekülchemie und Kristallchemie. Gegenwärtig können wir davon ausgehen, dass in elektrisch neutralen Atomverbänden unter normalen Bedingungen bestimmte Atomsorten in einfachen stöchiometrischen Verhältnissen zu anderen stehen. Für Verbindungen bestimmter Klassen sind diese Beziehungen so einfach, dass sie es erlauben, den Teilchen bestimmte Valenzen vorzubelegen, aus denen sich die eigentlichen Koeffizienten ableiten lassen. Es darf nicht übersehen werden, dass diese Regelmäßigkeit (die wegen zahlreicher Schwierigkeiten für chemische Verbindungen im Allgemeinen nicht selbstverständlich ist) nur aus geochemischen Gründen so schnell erkannt wurde. Sauerstoff ist das wichtigste Element der äußeren Lithosphäre, und gerade aus den Verhältnissen zwischen der Anzahl der Sauerstoffatome und anderer Elemente in Sauerstoffverbindungen wurde die Regel abgeleitet, dass für elektrisch neutrale Assoziationen keine stöchiometrischen Verhältnisse möglich sind.

Erscheinungsformen elektronisch-schwingender (oder kurz vibronischer) Wechselwirkungen in mehratomigen Systemen, die in der Literatur zusammengefasst sind unter gemeinsamen Namen der Jahn-Teller-Effekt, bilden derzeit eine neue, sich schnell entwickelnde Richtung in der Physik und Chemie von Molekülen und Kristallen.

Es ist leicht zu sehen, dass es zwischen den Reaktionen I und II gibt grundlegende Unterschiede. Reaktion I repräsentiert die Chemie von Molekülen; nur Energiefaktoren nehmen an der Aktivierung ihrer Reagenzien teil. Die Reaktionen II stellen die gesamte Chemie dar, bei der die Umwandlung von Molekülen hauptsächlich unter Beteiligung von Berthollid-Systemen durchgeführt wird. Richtung und Geschwindigkeit der Reaktionen I werden ausschließlich durch die chemische Struktur der reagierenden Moleküle bestimmt. Richtung und Geschwindigkeit der Reaktionen II werden sowohl durch die chemische Struktur der reagierenden Moleküle als auch bestimmt chemische Organisation katalytisches System.

Da für die Bildung eines Rings, geschlossen Wasserstoffbrücken, notwendig aufgeregter Zustand Offensichtlich macht es keinen Sinn, den Einfluss verschiedener Substituentengruppen auf den Cyclisierungsprozess anhand von Daten herkömmlicher Reaktionen der organischen Chemie im Detail zu untersuchen. Man kann sagen, dass sich die Photochemie eher mit der Chemie von Molekülen in einem angeregten Zustand als im Grundzustand befasst.

Ich wollte kurz auf die Frage der Reaktivität von Molekülen im Triplettzustand eingehen. Diese Frage ist im Allgemeinen sehr umfangreich, da die Chemie der Moleküle im Triplettzustand ein eigenständiges Gebiet ist. Ich werde nur auf die qualitative Eigenschaft der Aktivierungsenergie einer Reaktion eingehen, an der Moleküle im Triplettzustand beteiligt sind. Was ist der Unterschied zwischen einem solchen Molekül und einem Radikal? Das einfachste Beispiel ist das O2-Molekül, für das der Triplett-Zustand der Grundzustand ist. BEI dieser Fall Offensichtlich gibt es keine Aktivierungsenergie.

Die Chemie, deren grundlegende Konzepte wir betrachten werden, ist eine Wissenschaft, die Substanzen und ihre Umwandlungen untersucht, die mit einer Änderung der Struktur und Zusammensetzung und damit der Eigenschaften einhergehen. Zunächst ist es notwendig zu definieren, was ein solcher Begriff wie „Substanz“ bedeutet. Wenn wir drüber reden weiten Sinne, es ist eine Form von Materie, die eine Ruhemasse hat. Jede Substanz ist Elementarteilchen, zum Beispiel ein Neutron. In der Chemie wird dieser Begriff im engeren Sinne verwendet.

Lassen Sie uns zunächst kurz die grundlegenden Begriffe und Konzepte der Chemie, Atom- und Molekularwissenschaften beschreiben. Danach werden wir sie erklären und auch einige skizzieren wichtige Gesetze dieser Wissenschaft.

Die Grundbegriffe der Chemie (Substanz, Atom, Molekül) sind jedem von uns aus der Schule vertraut. Unten ist angegeben eine kurze Beschreibung bzgl sie, sowie andere, nicht so offensichtliche Begriffe und Phänomene.

Atome

Zunächst einmal bestehen alle Substanzen, die in der Chemie untersucht werden, aus kleinen Teilchen, die Atome genannt werden. Neutronen sind nicht das Untersuchungsobjekt dieser Wissenschaft. Es sollte auch gesagt werden, dass sich Atome miteinander verbinden können, was zur Bildung chemischer Bindungen führt. Um diese Bindung aufzubrechen, ist ein Energieaufwand erforderlich. Folglich existieren Atome unter normalen Bedingungen nicht einzeln (mit Ausnahme von "Edelgasen"). Sie verbinden sich mindestens paarweise miteinander.

Kontinuierliche thermische Bewegung

Kontinuierliche thermische Bewegung kennzeichnet alle Teilchen, die von der Chemie untersucht werden. Die grundlegenden Konzepte dieser Wissenschaft können nicht angegeben werden, ohne darüber zu sprechen. Bei kontinuierlicher Teilchenbewegung ist sie proportional zur Temperatur (wobei allerdings zu beachten ist, dass die Energien der einzelnen Teilchen unterschiedlich sind). Ekin = kT / 2, wobei k - Boltzmann-Konstante. Diese Formel gilt für jede Art von Bewegung. Da Ekin = mV 2 / 2 ist, ist die Bewegung massiver Teilchen langsamer. Beispielsweise bewegen sich Sauerstoffmoleküle bei gleicher Temperatur im Durchschnitt viermal langsamer als Kohlenstoffmoleküle. Dies liegt daran, dass ihre Masse 16-mal größer ist. Die Bewegung ist oszillierend, translatorisch und rotierend. Vibrationen werden sowohl in Flüssigkeiten als auch in Feststoffen beobachtet, und in gasförmige Stoffe. Translation und Rotation lassen sich jedoch am einfachsten in Gasen durchführen. In Flüssigkeiten ist es schwieriger, aber in Feststoffe- noch schwieriger.

Moleküle

Wir beschreiben weiterhin die grundlegenden Konzepte und Definitionen der Chemie. Wenn sich Atome miteinander verbinden und kleine Gruppen bilden (sie werden Moleküle genannt), nehmen solche Gruppen an der thermischen Bewegung teil und wirken als ein einziges Ganzes. Bis zu 100 Atome sind in typischen Molekülen vorhanden, und ihre Anzahl in der sogenannten Makromolekulare Verbindungen 105 erreichen kann.

Nichtmolekulare Substanzen

Atome sind jedoch oft in riesigen Kollektiven von 107 bis 1027 vereint. In dieser Form nehmen sie praktisch nicht an thermischen Bewegungen teil. Diese Assoziationen haben wenig Ähnlichkeit mit Molekülen. Sie sind eher wie Stücke. Festkörper. Diese Substanzen werden üblicherweise als nichtmolekular bezeichnet. In diesem Fall thermische Bewegung wird im Inneren des Stücks durchgeführt, aber es fliegt nicht wie ein Molekül. Es gibt auch Übergangsbereich Größen, die Assoziationen umfasst, die aus Atomen in einer Menge von 105 bis 107 bestehen. Diese Teilchen sind oder sehr große Moleküle, oder sind kleine Pulverkörner.

Ionen

Es sollte beachtet werden, dass Atome und ihre Gruppen haben können elektrische Ladung. In diesem Fall werden sie in einer Wissenschaft wie der Chemie, deren Grundkonzepte wir studieren, als Ionen bezeichnet. Da sich gleichnamige Ladungen immer abstoßen, kann eine Substanz mit einem erheblichen Überschuss an bestimmten Ladungen nicht stabil sein. Negativ u positive Ladungen immer abwechselnd im Raum. Und der Stoff als Ganzes bleibt elektrisch neutral. Beachten Sie, dass die Ladungen, die in der Elektrostatik als groß angesehen werden, aus chemischer Sicht vernachlässigbar sind (für 105-1015 Atome - 1e).

Studienobjekte der Chemie

Es sollte klargestellt werden, dass die Untersuchungsobjekte in der Chemie diejenigen Phänomene sind, bei denen Atome nicht entstehen und nicht zerstört werden, sondern sich nur umgruppieren, dh sie verbinden sich auf neue Weise. Einige Links werden unterbrochen, was zur Bildung anderer führt. Mit anderen Worten, neue Substanzen entstehen aus den Atomen, die in der Zusammensetzung enthalten waren Ausgangsmaterialien. Bleiben aber beide Atome und die zwischen ihnen bestehenden Bindungen erhalten (z. B. beim Verdampfen molekularer Substanzen), dann gehören diese Vorgänge nicht mehr in den Bereich der Chemie, sondern der Molekülphysik. Wenn Atome gebildet oder zerstört werden, sprechen wir über die Studienfächer Kern- oder Atomphysik. Allerdings ist die Grenze zwischen chemischen und physikalische Phänomene verschwommen. Immerhin die Aufteilung in einzelne Wissenschaften bedingt, während die Natur unteilbar ist. Daher sind die Kenntnisse der Physik für Chemiker sehr nützlich.

Wir haben kurz die Grundbegriffe der Chemie umrissen. Jetzt laden wir Sie ein, sie genauer zu betrachten.

Mehr über Atome

Atome und Moleküle sind das, womit viele Chemie verbinden. Diese Grundbegriffe müssen klar definiert werden. Die Tatsache, dass Atome existieren, wurde vor zweitausend Jahren brillant erraten. Dann, bereits im 19. Jahrhundert, hatten Wissenschaftler experimentelle Daten (noch indirekt). Es geht umüber Avogadros multiple Verhältnisse, die Gesetze der Konstanz der Zusammensetzung (unten werden wir diese grundlegenden Konzepte der Chemie betrachten). Das Atom wurde im 20. Jahrhundert weiter erforscht, als viele direkt darauf hinwiesen Experimentelle Beweise. Sie basierten auf Spektroskopiedaten, auf der Streuung von Röntgenstrahlen, Alphateilchen, Neutronen, Elektronen usw. Die Größe dieser Teilchen beträgt etwa 1 E = 1o -10 m. Ihre Masse beträgt etwa 10 -27 - 10 -25 kg. Im Zentrum dieser Teilchen befindet sich ein positiv geladener Kern, um den sich negativ geladene Elektronen bewegen. Die Kerngröße beträgt etwa 10 -15 m. Es stellt sich heraus, dass Elektronenhülle bestimmt die Größe eines Atoms, aber seine Masse ist fast vollständig im Kern konzentriert. Eine weitere Definition sollte eingeführt werden, die die grundlegenden Konzepte der Chemie berücksichtigt. Eine Art von Atom, die die gleiche Kernladung hat.

Es wird oft als kleinstes Teilchen einer Substanz gefunden, chemisch unteilbar. Wie wir bereits bemerkt haben, ist die Einteilung der Phänomene in physikalisch und chemisch bedingt. Aber die Existenz von Atomen ist bedingungslos. Daher ist es besser, die Chemie durch sie zu definieren und nicht umgekehrt, Atome durch die Chemie.

chemische Bindung

Das hält die Atome zusammen. Es erlaubt ihnen nicht, unter dem Einfluss thermischer Bewegung zu streuen. Wir stellen die Hauptmerkmale von Bindungen fest - dies ist der Abstand und die Energie zwischen den Kernen. Dies sind auch die Grundbegriffe der Chemie. Die Bindungslänge wird experimentell mit ausreichend hoher Genauigkeit bestimmt. Energie - auch, aber nicht immer. Zum Beispiel ist es unmöglich, objektiv zu bestimmen, worauf es ankommt getrennte Verbindung in einem komplexen Molekül. Ermittelt wird jedoch immer die Zerstäubungsenergie eines Stoffes, die notwendig ist, um alle bestehenden Bindungen aufzubrechen. Wenn Sie die Bindungslänge kennen, können Sie bestimmen, welche Atome gebunden sind (sie haben einen kurzen Abstand) und welche nicht (sie haben einen großen Abstand).

Koordinierungsnummer und Koordinierung

Grundlegendes Konzept analytische Chemie umfasst diese beiden Begriffe. Wofür stehen sie? Finden wir es heraus.

Die Koordinationszahl ist die Anzahl der nächsten Nachbarn eines gegebenen Objekts bestimmtes Atom. Mit anderen Worten, dies ist die Anzahl derer, mit denen er chemisch verbunden ist. Koordination ist gegenseitiges Einverständnis, Art und Anzahl der Nachbarn. Mit anderen Worten, dieses Konzept ist aussagekräftiger. Zum Beispiel die Koordinationszahl von Stickstoff, charakteristisch für die Moleküle von Ammoniak und Salpetersäure, gleich - 3. Ihre Koordination ist jedoch unterschiedlich - nicht planar und flach. Sie wird unabhängig von Vorstellungen über die Art der Bindung bestimmt, während der Oxidationsgrad und die Wertigkeit bedingte Begriffe sind, die erstellt werden, um Koordination und Zusammensetzung im Voraus vorherzusagen.

Moleküldefinition

Wir haben dieses Konzept bereits angesprochen, indem wir kurz die grundlegenden Konzepte und Gesetze der Chemie betrachtet haben. Lassen Sie uns nun näher darauf eingehen. Lehrbücher definieren ein Molekül oft als das kleinste neutrale Teilchen einer Substanz, das seine chemischen Eigenschaften hat und auch unabhängig existieren kann. Es sollte beachtet werden, dass diese Definition ist dieser Moment schon veraltet. Erstens bewahrt das, was alle Physiker und Chemiker ein Molekül nennen, nicht die Eigenschaften der Materie. Wasser dissoziiert, aber dies erfordert mindestens 2 Moleküle. Der Dissoziationsgrad von Wasser beträgt 10 -7 . Mit anderen Worten, nur ein Molekül von 10 Millionen kann diesen Prozess durchlaufen.Wenn Sie ein Molekül haben, oder sogar hundert, können Sie sich keine Vorstellung von seiner Dissoziation machen. Die Sache ist die thermische Effekte Reaktionen in der Chemie beinhalten normalerweise die Energie der Wechselwirkung zwischen Molekülen. Daher können sie nicht von einem von ihnen gefunden werden. Sowohl chemische als auch physikalische Substanzen kann nur aus einer großen Gruppe von Molekülen bestimmt werden. Darüber hinaus gibt es Substanzen, in denen das "kleinste" Teilchen, das unabhängig existieren kann, unendlich groß und sehr verschieden von den üblichen Molekülen ist. Ein Molekül ist eigentlich eine Gruppe von Atomen, die nicht elektrisch geladen sind. Im Einzelfall kann dies ein Atom sein, beispielsweise Ne. Diese Gruppe muss in der Lage sein, an der Diffusion sowie an anderen Arten der thermischen Bewegung teilzunehmen und als Ganzes zu wirken.

Wie Sie sehen können, sind die Grundkonzepte der Chemie nicht so einfach. Ein Molekül ist etwas, das sorgfältig untersucht werden muss. Es hat seine eigenen Eigenschaften sowie sein Molekulargewicht. Wir werden jetzt über letzteres sprechen.

Molekulare Masse

Wie bestimmt man das Molekulargewicht experimentell? Ein Weg basiert auf dem Gesetz von Avogadro, gemäß relative Dichte Paar. Die genaueste Methode ist die Massenspektrometrie. Aus einem Molekül wird ein Elektron herausgeschlagen. Das entstehende Ion wird zunächst in einem elektrischen Feld beschleunigt und dann magnetisch abgelenkt. Das Verhältnis von Ladung zu Masse wird genau durch die Größe der Abweichung bestimmt. Es gibt auch Methoden, die auf den Eigenschaften von Lösungen basieren. Allerdings müssen Moleküle in all diesen Fällen sicherlich in Bewegung sein – in Lösung, im Vakuum, im Gas. Wenn sie sich nicht bewegen, ist es unmöglich, ihre Masse objektiv zu berechnen. Und ihre bloße Existenz ist in diesem Fall schwer zu entdecken.

Eigenschaften nichtmolekularer Substanzen

Apropos, sie stellen fest, dass sie aus Atomen bestehen, nicht aus Molekülen. Gleiches gilt jedoch für Edelgase. Diese Atome bewegen sich frei, daher ist es besser, sie sich als einatomige Moleküle vorzustellen. Dies ist jedoch nicht die Hauptsache. Noch wichtiger, im nichtmolekulare Substanzen Es gibt viele Atome, die miteinander verbunden sind. Es ist zu beachten, dass die Unterteilung aller Stoffe in nichtmolekulare und molekulare Stoffe unzureichend ist. Aussagekräftiger ist die Aufteilung nach Konnektivität. Betrachten Sie zum Beispiel die unterschiedlichen Eigenschaften von Graphit und Diamant. Beide bestehen aus Kohlenstoff, aber ersteres ist weich und letzteres hart. Wie unterscheiden sie sich voneinander? Der Unterschied liegt gerade in ihrer Konnektivität. Wenn wir die Struktur von Graphit betrachten, werden wir sehen, dass starke Bindungen nur in zwei Dimensionen existieren. Aber im dritten sind die interatomaren Abstände sehr signifikant, daher gibt es keine starke Bindung. Graphit gleitet und spaltet sich leicht über diese Schichten.

Konnektivität der Struktur

Andernfalls wird es als räumliche Dimension bezeichnet. Es stellt die Anzahl der Dimensionen des Raums dar, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie ein kontinuierliches (fast unendliches) Kernsystem haben ( starke Bindungen). Die Werte, die es annehmen kann, sind 0, 1, 2 und 3. Daher ist es notwendig, zwischen dreidimensional verbundenen, geschichteten, Ketten- und Insel-(Molekül-)Strukturen zu unterscheiden.

Gesetz der Konstanz der Zusammensetzung

Die Grundbegriffe der Chemie haben wir bereits gelernt. Der Stoff wurde von uns kurz begutachtet. Lassen Sie uns nun über das Gesetz sprechen, das für ihn gilt. Es wird üblicherweise so formuliert: Jede einzelne Substanz (dh rein), unabhängig davon, wie sie gewonnen wurde, hat die gleiche quantitative und qualitative Zusammensetzung. Aber was bedeutet das Konzept? Mal sehen.

Vor zweitausend Jahren, als die Struktur von Stoffen noch nicht mit direkten Methoden untersucht werden konnte, als die uns bekannten chemischen Grundbegriffe und Gesetze der Chemie noch gar nicht existierten, wurde sie anschaulich bestimmt. Wasser ist zum Beispiel die Flüssigkeit, die die Grundlage der Meere und Flüsse bildet. Es hat keinen Geruch, Farbe, Geschmack. Es hat so und so Gefrier- und Schmelztemperaturen, es färbt sich blau Salziges Meerwasser ist, weil es nicht sauber ist. Die Salze können jedoch destillativ abgetrennt werden. Ungefähr so, beschreibende Methode wurden die chemischen Grundbegriffe und Gesetze der Chemie festgelegt.

Zum Wissenschaftler Zeit war es nicht offensichtlich, dass die Flüssigkeit freigesetzt wurde verschiedene Wege(Wasserstoffverbrennung, Vitrioldrocknung, Meerwasserdestillation) hat die gleiche Zusammensetzung. Eine große Entdeckung in der Wissenschaft war der Beweis für diese Tatsache. Es wurde deutlich, dass sich das Verhältnis von Sauerstoff und Wasserstoff nicht fließend ändern kann. Das bedeutet, dass die Elemente aus Atomen bestehen – unteilbaren Teilen. So wurden die Formeln der Substanzen erhalten und die Idee der Wissenschaftler über Moleküle war gerechtfertigt.

Heutzutage wird jede Substanz explizit oder implizit primär durch die Formel definiert und nicht durch Schmelzpunkt, Geschmack oder Farbe. Wasser ist H 2 O. Wenn andere Moleküle vorhanden sind, ist es nicht mehr rein. Daher rein molekulare Substanz ist eines, das aus Molekülen nur eines Typs besteht.

Aber was ist in diesem Fall mit Elektrolyten? Schließlich enthalten sie Ionen, nicht nur Moleküle. Eine strengere Definition ist erforderlich. Eine reine molekulare Substanz ist eine solche, die aus Molekülen der gleichen Art und möglicherweise auch aus den Produkten ihrer reversiblen schnellen Umwandlung (Isomerisierung, Assoziation, Dissoziation) zusammengesetzt ist. Das Wort „schnell“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass wir diese Produkte nicht loswerden können, sie tauchen sofort wieder auf. Das Wort "reversibel" zeigt an, dass die Transformation nicht abgeschlossen ist. Wenn es gebracht wird, ist es besser zu sagen, dass es instabil ist. In diesem Fall handelt es sich nicht um eine reine Substanz.

Das Gesetz der Erhaltung der Masse der Materie

Dieses Gesetz ist seit der Antike in metaphorischer Form bekannt. Er sagte, dass Materie unerschaffen und unzerstörbar ist. Dann kam seine quantitative Formulierung. Danach ist das Gewicht (und ab Ende des 17. Jahrhunderts die Masse) ein Maß für die Menge eines Stoffes.

Dieses Gesetz in seiner üblichen Form wurde 1748 von Lomonosov entdeckt. 1789 wurde es von A. Lavoisier, einem französischen Wissenschaftler, ergänzt. Seine moderne Formulierung klingt so: Die Masse der Stoffe, die in eine chemische Reaktion eintreten, ist gleich der Masse der Stoffe, die dadurch gewonnen werden.

Avogadrosches Gesetz, das Gesetz der Volumenverhältnisse von Gasen

Die letzte davon wurde 1808 von J. L. Gay-Lussac, einem französischen Wissenschaftler, formuliert. Dieses Gesetz ist heute als Gesetz von Gay-Lussac bekannt. Ihm zufolge stehen die Volumina der reagierenden Gase untereinander sowie mit den Volumina der resultierenden gasförmigen Produkte als kleine ganze Zahlen in Beziehung.

Das von Gay-Lussac entdeckte Muster erklärt das Gesetz, das wenig später, 1811, von Amedeo Avogadro, einem italienischen Wissenschaftler, entdeckt wurde. Es besagt, dass unter gleichen Bedingungen (Druck und Temperatur) in Gasen mit gleichem Volumen die gleiche Anzahl von Molekülen vorhanden ist.

Aus dem Gesetz von Avogadro folgen zwei wichtige Konsequenzen. Das erste ist, wann gleichen Bedingungen Ein Mol eines beliebigen Gases nimmt ein gleiches Volumen ein. Das Volumen von jedem von ihnen unter normalen Bedingungen (das sind eine Temperatur von 0 ° C sowie ein Druck von 101,325 kPa) beträgt 22,4 Liter. Die zweite Konsequenz dieses Gesetzes ist die folgende: Unter gleichen Bedingungen ist das Verhältnis der Massen von Gasen gleichen Volumens gleich dem Verhältnis ihrer Molmassen.

Es gibt noch ein weiteres Gesetz, das unbedingt erwähnt werden muss. Lassen Sie uns kurz darüber sprechen.

Periodengesetz und Tabelle

D. I. Mendeleev, basierend auf den chemischen Eigenschaften von Elementen und Atom- und Molekularwissenschaft entdeckte dieses Gesetz. Dieses Ereignis fand am 1. März 1869 statt. Periodisches Gesetz ist eines der wichtigsten in der Natur. Es kann wie folgt formuliert werden: die Eigenschaften der Elemente und der Komplex und einfache Substanzen haben eine periodische Abhängigkeit von den Ladungen der Kerne ihrer Atome.

Das von Mendeleev erstellte Periodensystem besteht aus sieben Perioden und acht Gruppen. Gruppen sind seine vertikalen Spalten. Die Elemente in jedem von ihnen haben ähnliche physikalische und chemische Eigenschaften. Die Gruppe wiederum ist in Untergruppen (Haupt- und Nebengruppe) unterteilt.

Die horizontalen Zeilen dieser Tabelle werden Perioden genannt. Die darin enthaltenen Elemente unterscheiden sich voneinander, haben aber auch gemeinsam, dass sich ihre letzten Elektronen auf dem gleichen Energieniveau befinden. In der ersten Periode gibt es nur zwei Elemente. Dies sind Wasserstoff H und Helium He. Es gibt acht Elemente in der zweiten Periode. In der vierten sind es bereits 18. Mendelejew bezeichnete diese Periode als die erste große. Die fünfte hat ebenfalls 18 Elemente, ihre Struktur ist ähnlich wie die vierte. Das sechste enthält 32 Elemente. Der siebte ist nicht abgeschlossen. Dieser Zeitraum beginnt mit Francium (Fr). Wir können davon ausgehen, dass es 32 Elemente enthalten wird, wie das sechste. Bisher wurden jedoch nur 24 gefunden.

Rollback-Regel

Gemäß der Rollback-Regel neigen alle Elemente dazu, ein Elektron aufzunehmen oder abzugeben, um die 8-Elektronen-Edelgaskonfiguration zu haben, die ihnen am nächsten ist. Ionisationsenergie ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Elektron von einem Atom zu trennen. Die Rollback-Regel besagt, dass beim Bewegen von links nach rechts weiter Periodensystem notwendig mehr Energie ein Elektron zu entfernen. Daher neigen Elemente auf der linken Seite dazu, ein Elektron zu verlieren. Im Gegenteil, diejenigen, die mit rechte Seite möchte es kaufen.

Wir haben die Gesetze und Grundbegriffe der Chemie kurz skizziert. Sicherlich ist dies nur allgemeine Informationen. Im Rahmen eines Artikels ist es unmöglich, im Detail über eine so ernsthafte Wissenschaft zu sprechen. Die grundlegenden Konzepte und Gesetze der Chemie, die in unserem Artikel zusammengefasst sind, sind nur Der Startpunkt zum weiteren Studium. Tatsächlich gibt es in dieser Wissenschaft viele Abteilungen. Es gibt zum Beispiel Bio Anorganische Chemie. Die Grundkonzepte der einzelnen Bereiche dieser Wissenschaft können sehr lange studiert werden. Aber die oben vorgestellten beziehen sich auf allgemeine Probleme. Daher können wir sagen, dass dies sowohl die Grundkonzepte der organischen als auch der anorganischen Chemie sind.