По которому молекула образуется из атомов. Из одного атома молекула образоваться не может. Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами , молекулы с мультиплетностью , отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) - радикалами .
Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами .
Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества , состоящего из этих молекул.
К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твердом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твердых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.) .
Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул .
История становления понятия
На международном съезде химиков в г. Карлсруе (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Молекула - наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.
Классическая теория химического строения
Шаро-стержневая модель молекулы диборана B 2 H 6 . Атомы бора показаны розовым, водорода - серым.
Центральные «мостиковые» атомы одновалентного водорода образуют с соседними атомами бора трёхцентровые связи
В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.
Молекула данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых химическими связями , при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качества критерия индивидуальности молекулы не учитываются.
Центральным положением классической теории является положение о химической связи, при этом допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда - четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами - как, например, мостиковых атомов водорода в боранах , природа химической связи в классической теории не рассматривается - учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные углы , диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии .
Таким образом, молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются как материальные точки и в которой атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов .
Молекула состоит из атомов, а если точнее, то из атомных ядер, окруженных определенным числом внутренних электронов, и внешних валентных электронов, образующих химические связи. Внутренние электроны атомов обычно не участвуют в образовании химических связей. Состав и строение молекул вещества не зависят от способа его получения.
Атомы объединяются в молекуле в большинстве случаев с помощью химических связей. Как правило, такая связь образуется одной, двумя или тремя парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов, образуя общее электронное облако, форма которого описывается типом гибридизации. Молекула может иметь положительно и отрицательно заряженные атомы (ионы).
Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы .
Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю. Если при сближении атомов образуется химическая связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования химической связи), при дальнейшем сближении начинают действовать электростатические силы отталкивания атомных ядер. Препятствием к сильному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек.
Каждому атому в определенном валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный, или ковалентный радиус (в случае ионной связи - ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона) образующего химическую связь в молекуле. Размер молекулы, то есть размер её электронной оболочки, является величиной до известной степени условным. Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомного ядра. Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости . На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших - отталкиваются. Размеры молекулы можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов. Порядок величины этих размеров может быть определен из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на которое могут сблизиться валентно не связанные атомы одного и того же или разных молекул, может быть охарактеризована средними значениями так называемых ван дер ваальсовых радиусов (Ǻ).
Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван дер ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.
Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей. Так, для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырехгранное) расположение связей, образуемых атомом углерода, для молекул с двойной связью (С = С) - плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью (С º С) - линейное расположение связей. Таким образом, многоатомная молекула имеет определенную конфигурацию в пространстве, то есть определенную геометрию расположения связей, которая не может быть изменена без их разрыва. Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, которые представляют собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы, или стереоизомеры). Все важнейшие биологические функциональные вещества в живой природе существуют в форме одного определенного стереоизомера.
Квантохимическая теория химического строения
В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. При этом в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы принимается конфигурация с наинизшей энергией, то есть основное энергетическое состояние.
Представление структуры молекул
Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, расположение последних в молекуле передаёт структурная формула (для передачи состава используется т. н. брутто-формула). Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.
Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии , аппарат которых активно использует достижения квантовой физики , в том числе релятивистских её разделов. Также в настоящее время развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает колоссальным набором средств: электронная спектроскопия , колебательная спектроскопия , ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, как то: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов.
Взаимодействие атомов в молекуле
Природа химических связей в молекуле оставалась загадкой до создания квантовой механики - классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были созданы в 1927 году Гайтлером и Лондоном на примере простейшей молекулы Н 2 . Позже, теория и методы расчетов были значительно усовершенствованы.
Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений является ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома. Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближенно аддитивна. То есть можно считать, что энергия молекулы - это сумма энергий её связей, имеющих постоянные значения в таких рядах.
Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряженными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с единичными. В таких случаях валентные электроны, определяющие кратность связей, так называемые p-электроны, становятся общими для всей системы сопряженных связей, делокализованимы. Такая делокализация электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации p-электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинение одинарных. В правильном шестиугольнике межуглеродных связей бензола все связи одинаковы и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах.
Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает частичную делокализации не только p-, но и s-электронов, которая наблюдается в любых молекулах.
В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равна нулю, то есть спины электронов попарно насыщены. Молекулы, содержащие неспаренные электроны - свободные радикалы (например, атомный водород Н, метил ·CH 3), обычно неустойчивы, поскольку при их реакции друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей .
Межмолекулярное взаимодействие
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 с 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
Понятия молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы, определяет каким будет ход реакций.
Строению и свойствам молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятия молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твердых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии , её вязкость, теплопроводность и т. д.. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Ж. Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения .
Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированной химической и нехимической взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.
Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии , которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.
См. также
- Теория молекулярных орбиталей
Примечания
Литература
- Татевский В. М. Квантовая механика и теория строения молекул. - М.: Изд-во МГУ , . - 162 с.
- Бейдер Р. Атомы в молекулах. Квантовая теория. - М.: Мир, . - 532 c. ISBN 5-03-003363-7
- Минкин В. И. , Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. - М.: Высшая школа, . - 408 с.
- Кук Д., Квантовая теория молекулярных систем. Единый подход. Пер с англ. М.: Интеллект, 2012. - 256с. ISBN: 978-6-91559-096-9
Ссылки
- // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : В 86 томах (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.
- Молекулы (видеурок, программа 7 класса)
- Шредингер Э. Волновая теория механики атомов и молекул. УФН 1927
| Структурная химия | |
|---|---|
| Химическая связь : | Ароматичность | Ковалентная связь | Ионная связь | Металлическая связь | Водородная связь | Донорно-акцепторная связь | Таутомерия | Ван-дер-Ваальсова связь |
| Отображение структуры: | Функциональная группа | Структурная формула | Скелетная формула органических соединений | Химическая формула | Лиганд | Координационная геометрия | Координационная сфера |
| Электронные свойства: | Электроотрицательность | Сродство к электрону | Энергия ионизации | Полярность химических связей | Правило октета |
| Стереохимия : | Асимметрический атом | Изомерия | Конфигурация | Хиральность | Конформация |
МОЛЕКУЛА
(новолат.
molecula, уменьшит. от лат. moles-масса), микрочастица, образованная из двух
или большего числа и способная к самостоят. существованию. Имеет постоянный
состав (качеств. и количеств.) входящих в нее и фиксир. число
и обладает совокупностью св-в, позволяющих отличать одну молекулу от других, в т.
ч. от молекул того же состава. Молекула как система, состоящая из взаимодействующих
и ядер, может находиться в разл. состояниях и переходить из одного состояния
в другое вынужденно (под влиянием внеш. воздействий) или самопроизвольно. Для
всех молекул данного вида характерна нек-рая совокупность состояний, к-рая может
служить для молекул. Как самостоят. образование молекула обладает в каждом
состоянии определенным набором физ.
св-в, эти св-ва в той или иной степени сохраняются при переходе от молекул к состоящему
из них в-ву и определяют св-ва этого в-ва. При хим. превращениях молекулы одного в-ва
обмениваются с молекулами др. в-ва, распадаются на молекулы с меньшим числом ,
а также вступают в хим. р-ции др. типов. Поэтому изучает в-ва и их превращения
в неразрывной связи со строением и состоянием молекул.
Обычно молекулой наз. электрически
нейтральную частицу; если молекула несет электрич. заряд (положит. или отрицат.),
то говорят о мол. ( или соотв.). В в-ве положит.
всегда сосуществуют вместе с отрицательными. Молекулы, находящиеся в состояниях с
мультиплетпостью, отличной от единицы (как правило, в дублетных состояниях),
наз. радикалами. Своб. радикалы в обычных условиях, как правило, не могут существовать
длит. время. Известны, однако, своб. радикалы сравнительно сложного строения,
к-рые являются достаточно стабильными и могут существовать при обычных условиях
(см. ).
По числу входящих в молекулу
различают молекулы двухатомные, трехатомные и т.д. Если число
в молекуле превосходит сотни и тысячи, молекуле наз. . Сумма масс всех
, входящих в состав молекулы, рассматривается как (см.
также , ). По
величине мол. массы все в-ва условно делят на низко- и высокомолекулярные.
Классическая
рассматривает молекулу как стабильную наименьшую (по массе
и размерам) частицу в-ва, определяющую его основные св-ва. Эта частица образована
из химически связанных друг с другом (одинаковых или разных). Понятие
в молекуле при этом не детализируется; он, вообще говоря, отличается от изолир.
, так что говорят об эффективном , поведение и св-ва к-рого различны
в разных молекулах.
Из всех возможных взаимод.
в молекулах выделяют главные взаимод., или , к-рые обеспечивают
стабильное существование молекулы и сохранение ею своих основных характеристик в достаточно
широкой области изменения внеш. условий. Все прочие (неглавные) взаимод. между
в молекуле не определяют ее существования как целого, хотя и влияют, подчас
значительно, на те или иные св-ва. О неглавных взаимод. говорят как о взаимном
влиянии непосредственно не связанных , или .
Энергетически главные взаимод. в данной молекуле, как правило, более значительны,
чем неглавные. Вопрос о том, является ли взаимод. выделенной в молекуле
главным или неглавным, решается на анализа многих физ. и физ.-хим.
св-в в-ва, образованного из этих молекул.
Квантовомеханическая
теория
представляет молекулу как систему, состоящую из и
и находящуюся в определенном , из к-рого молекула может
перейти в др. . Каждое состояние и его изменение во времени
() определяется либо волновой ф-цией, к-рую находят как решение ур-ния
Шрё-дингера (стационарного или временного), либо , удовлетворяющей
квантовому ур-нию Лиувилля (см. ). Для изолированных
молекул ур-ние Шрёдингера решается обычно в такой системе координат, начало к-рой
находится в центре масс (молекулы или системы ). Это позволяет отделить
поступат. движение молекулы от всех др. видов движений. Для стационарного состояния
изолированной молекулы волновая ф-ция либо существенно локализована в нек-рой конечной
области пространства и описывает связанное (связное, стабильное) состояние системы
, либо такой локализацией не обладает, описывая отталкивательное
(несвязанное) состояние системы. В отталкиват. состоянии молекулы как таковой фактически
нет, а есть ее фрагменты, взаимодействующие друг с другом, на к-рые молекула, будучи
переведенной в такое состояние, распадается. Возможны и нестационарные состояния
молекулы, к-рые, однако, меняются во времени настолько медленно, что
молекула может находиться в этих состояниях достаточно длительно (в сравнении с характеристич.
временем эксперимента или временем наблюдения за системой). Подобные состояния
молекулы обычно наз. метастабильными (или квазисвязанными).
Для изолированной молекулы направления
осей системы координат, начало к-рой находится в центре масс, выбираются так,
чтобы по возможности полнее исключить из рассмотрения вращение молекулы как
целого (напр., оси координат м. б. направлены по главным осям эллипсоида инерции
молекулы или связаны с к.-л. выделенной конфигурацией ядер). Согласно , для каждой фик-сир. конфигурации можно определить
электронное состояние и соответствующие ему электронную волновую ф-цию и собств.
значение электронного гамильтониана - электронную энергию (см. ). Электронная энергия Е e зависит от набора переменных
R, определяющих конфигурацию ядер. Она включает потенциал межъядерного
отталкивания и изображается графически
Е е = Е е {R} (или просто потенц. пов-стью)
молекулы в данном электронном состоянии. В частности, для двухатомных молекул электронная
энергия изображается потенц. кривой Е e = E e (R), где
R -расстояние между ядрами .
Потенц. пов-сть наглядно
представляет тот потенциал, в к-ром движутся ядра рассматриваемой молекулы; решениями
ур-ния Шрёдингера с этим потенциалом являются колебат. волновые ф-ции, квадрат
модуля к-рых определяет плотность вероятности обнаружить у данной молекулы ту или
иную ядерную конфигурацию. Потенц. пов-сть для молекулы, находящейся в связанном электронном
состоянии, м. б. достаточно простой, напр. иметь один минимум, отвечающий т.
наз. равновесной геом. конфигурации ядер. При увеличении межъядерных расстояний
потенц. энергия молекула увеличивается до определенного предельного значения, при
к-ром молекула диссоциирует на два (или большее число) мол. фрагмента (напр., ).
Для многоатомных молекул потенц. пов-сти обычно имеют более сложный вид с неск. локальными
минимумами, разделенными потенц. барьерами, а также с точками перевала, разл.
долинами, складками и т. п. К тому же потенц. пов-сти для разл. электронных
состояний молекулы могут достаточно близко подходить друг к другу, пересекаться, совпадать
в отдельных точках. В таких областях подчас невозможно использовать адиабатич.
приближение и наглядная картина изменения состояний молекулы как движений по потеиц.
пов-сти утрачивается. Если колебат. волновая ф-ция, характеризующая плотность
распределения ядер, локализована вблизи к.-л. минимума на потенц. пов-сти, причем
по энергии этот минимум лежит ниже диссоциац. пределов для данной молекулы, то можно
говорить о наличии у молекулы в рассматриваемом электронно-колебат. состоянии структурного
с равновесной конфигурацией, отвечающей минимуму потенц. энергии. Разным
минимумам, если они не переводятся обычными операциями друг в друга,
соответствуют разные структурные , причем большая или меньшая легкость
перевода одного в другой определяется потенц. барьерами, к-рые разделяют
эти минимумы. Так, н-бутан и в основном электронном состоянии,
с точки зрения квантовомех. теории, суть одна и та же молекула С 4 Н 10 ,
на потенц. пов-сти к-рой имеются по крайней мере два минимума: один-абс. минимум,
к-рому отвечает равновесная конфигурация изо-бутана, и второй-локальный минимум,
к-рому отвечает равновесная конфигурация н-бутана. Вероятность спонтанного
перехода из потенц. ямы вблизи одного минимума в потенц. яму вблизи др. минимума
для низших колебат. состояний очень мала, что и определяет раздельное существование
молекул н-бутана и .
В др. случаях на потенц.
пов-сти имеются минимумы, разделенные сравнительно невысокими барьерами (от
неск. десятых до неск. кДж/), либо пологие долины или желоба, при движении
вдоль к-рых энергия молекулы меняется примерно в тех же пределах. Так, у NaAlF 4
имеется четыре
эквивалентных
минимума, разделенных невысокими барьерами. Минимумы отвечают симметричной координации
Na у каждой из четырех граней тетраэдра AlF 4 (тридентантная координация);
каждый из барьеров отвечает геом. конфигурации ядер с координацией Na у ребра
тетраэдра AlF 4 (бидентантная координация). Na может относительно
свободно перемещаться вокруг тетраэдрич. остова. Подобные молекулы получили название
политопич. молекул, или молекул с распределенным характером связи. У KCN К может
относительно свободно перемещаться по желобу потенц. пов-сти вокруг остова CN,
так что в одних колебат. состояниях эта молекула имеет наиб. вероятную конфигурацию,
близкую к треугольной, в других-к линейной KNC, в третьих-к линейной KCN. Молекулы
такого типа, как и молекулы с распределенным характером связи, относятся к .
Полная волновая ф-ция молекулы
в определенном при использовании адиабатич. приближения
представляет собой произведение электронной волновой ф-ции на колебат. волновую
ф-цию. Если учесть и то, что молекула в целом вращается, в произведение войдет еще
один сомножитель - вращат. волновая ф-ция. Знание электронной, колебат. и вращат.
волновых ф-ций позволяет вычислить для каждого молекулы физически
наблюдаемые средние величины: средние положения ядер, а также средние межъядерные
расстояния и средние углы между направлениями от данного ядра к др. ядрам, в
т. ч. к ближайшим (); средние электрич. и магн. дипольные и , средние смещения электронного заряда при переходе от системы разделенных
к молекуле и др. Волновые ф-ции и энергии разл. состояний молекулы используют и для
нахождения величин, связанных с переходами из одного в
другое: частот переходов, вероятностей переходов, силы линий
и т. п. (см. ).
Если в систему ядер, образующих
молекулу, входят тождественные, то среди всех конфигураций ядер будут и такие, к-рые
обладают определенной пространств. . Потенц. пов-сти молекулы симметричны
относительно операций , к-рые отвечают таким конфигурациям. По этой
причине симметричные конфигурации ядер всегда отвечают экстремальным точкам
на потенц. пов-стях (минимумам, максимумам, точкам перегиба). Если равновесная
не обладает самой высокой , возможной для данной системы
ядер, или вовсе несимметрична, то должна быть и эквивалентная ей равновесная
конфигурация, получающаяся из исходной теми операциями , к-рые допускают
симметричные ядерные конфигурации данной молекулы (см. ).
Квантовая теория дает более
богатую и полную картину молекулы в ее разл. состояниях по сравнению с классич. теорией
хим. строения. Она позволяет прежде всего провести хим. связей
в молекулах на основе того или иного характера распределения
(ковалент-ные связи отвечают примерно симметричному распределению валентных между , образующими такие связи; отвечают сильному смещению этой плотности к одному из ), либо исходя
из представлений о происхождении той или иной связи (напр., ), либо по др. признакам (напр., молекула с сопряженными связями или молекула с распределенным
характером связи). Квантовая теория позволяет также учесть изменения состояний,
к-рые возникают при переходе от отдельной изолированной молекулы к в-ву, состоящему
из множества взаимодействующих друг с другом молекул при заданных внеш. условиях.
И хотя строгие исходные положения квантовой теории требуют, чтобы рассмотрение,
напр., двух взаимодействующих молекул (N 2 + N 2 , N 2
+ Н 2 О и т.п.) велось для единой системы, включающей все ядра и
этих двух молекул одновременно (в силу требований перестановочной для ,
подсистем тождеств. ядер и др.), все же методы квантовой теории позволяют во
мн. случаях сохранять представления об
отдельных
молекулах, возмущенных взаимным влиянием, но сохраняющих в значит. степени свою индивидуальность.
Таковы, в частности, представления
о молекулах (преим. с ко-валентными связями), сохраняющих при переходе в кон-денсир.
фазу в значит. степени равновесные межъядерные расстояния и валентные утлы,
осн. частоты колебаний и др. Подобные конденсир. фазы обычно наз. мол.
или мол. . С другой стороны, у молекул с индивидуальность
подчас не сохраняется и весь или представляет собой своего
рода единую молекулу. Как правило, сохраняют свои осн. характерные особенности и молекулы
в адсорбир. состоянии, а также в .
Отдельные молекулы в системе
приобретают смысл эффективных структурных фрагментов, аналогично эффективным
в молекулах в рамках классич. теории. В целом модель молекулы или системы взаимодействующих
молекул в квантовой теории по возможности строится обычно таким образом, чтобы сохранить
наглядные представления классич. теории.
Строение и свойства
молекул.
Классич. и квантовомех. теоретич. представления о молекулах подтверждаются и
уточняются обширным эксперим. материалом об их св-вах и связи этих св-в со строением.
Понятие включает при этом два аспекта: геом. строение равновесной
ядерной конфигурации в рассматриваемом состоянии (либо ядерной конфигурации,
усредненной по колебат. движению) и электронное строение, характеризуемое прежде
всего распределением при разл. геом. конфигурациях
ядер, изменением этого распределения при переходе от одной области ядерных конфигураций
к другой, а также распределением др. физ. величин (напр., двухэлектронной плотности).
Характеристиками геом. являются: д л и н ы с в я з е й (межъядерные
расстояния для , соединенных хим. связями), в а л е н т н ы е у г л ы
(углы между направлениями от данного ядра к ядрам двух соседних , соединенных
с рассматриваемым хим. связью), т о р с и о н н ы е, или д и-э д р а л ь н ы
е, у г л ы (двугранные углы между двумя плоскостями, проходящими через к.-л.
выделенные тройки ядер). Как правило, геом. аспект включает информацию о
входящих в молекулу , последовательности и кратности хим. связей между ними,
возможных конформац. и т.д. На основе классич. теории такое представление
о структуре молекул позволяет классифицировать близкие по строению структурные фрагменты
по типам, проводить корреляцию св-в молекул с числами имеющихся в них структурных
фрагментов определенных типов и сопоставлять св-ва молекул, построенных из однотипных
наборов структурных фрагментов. Наглядно при таком подходе молекулу в каждом состоянии
можно изобразить либо системой (колеблющихся) материальных точек, либо в общем
случае системой перекрывающихся сфер, радиусы к-рых задаются по определенным
правилам (см., напр., ).
Знание распределения дает возможность вычислить мн. св-ва при фиксир. ядерных конфигурациях
для каждого состояния, напр. электрич. св-ва ( , ), диа- и парамагнитные составляющие магн. восприимчивости
и т.п.
Объединение обоих аспектов
приводит к наиб. полному представлению о и его изменении при переходе
из одного состояния в другое, особенностях отдельных классов и гомологич.
рядов и их поведении во внеш. полях и при взаимод. друг с другом.
Спектроскопич. методы основаны на индивидуальности спектров хим. соединений, к-рая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энер-гетич. уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный в-в. Спектры поглощения или испускания в микроволновой области спектра позволяют изучать переходы между вращат. состояниями, определять моменты инерции молекул, а на их основе-длины связей, и др. геом. параметры молекул. исследует, как правило, переходы между колебательно-вращат. состояниями и широко используется для спектрально-аналит. целей, поскольку мн. частоты колебаний определенных структурных фрагментов молекул являются характеристическими и слабо меняются при переходе от одной молекулы к другой. В то же время позволяет судить и о равновесной геом. конфигурации (качественно-по соблюдению тех или иных в спектре, количественно - на основе решения обратной коле-бат. задачи, по крайней мере для малоатомных молекул; см.
Каждый день мы пользуемся какими-нибудь предметами: берем их в руки, совершаем над ними любые манипуляции - переворачиваем, рассматриваем, в конце концов, ломаем. А вы никогда не задумывались о том, из чего состоят эти предметы? "Чего уж здесь думать? Из металла/дерева/пластика/ткани!" - недоуменно ответят многие из нас. Отчасти это правильный ответ. А из чего состоят эти материалы - металл, дерево, пластик, ткань и многие другие вещества? Сегодня мы и обсудим этот вопрос.
Молекула и атом: определение
У знающего человека ответ на него прост и банален: из атомов и молекул. Но некоторые люди озадачиваются и начинают сыпать вопросами: "Что такое атом и молекула? Как они выглядят?" и т.д., и т.п. Ответим на эти вопросы по порядку. Ну, во-первых, что такое атом и молекула? Скажем вам сразу, что эти определения - не одно и то же. И даже более того - это совершенно разные термины. Итак, атом - это самая маленькая часть химического элемента, которая является носителем его свойств, частица вещества мизерных массы и размеров. А молекула - это электрически нейтральная частица, которую образуют несколько соединенных атомов.
Что такое атом: строение
Атом состоит из электронной оболочки и (фото). В свою очередь ядро состоит из протонов и нейтронов, а оболочка - из электронов. В атоме протоны заряжены положительно, электроны - отрицательно, а нейтроны вообще не заряжены. Если число протонов соответствует то атом является электронейтральным, т.е. если мы прикоснемся к веществу, образованному из молекул с такими атомами, то не почувствуем ни малейшего электрического импульса. И даже сверхмощные ЭВМ его не уловят по причине отсутствия последнего. Но случается так, что протонов больше, чем электронов, и наоборот. Тогда такие атомы правильнее будет называть ионами. Если в нем больше протонов, то он электрически положительный, если же преобладают электроны - электрически отрицательный. В каждом определенном атоме есть строгое количество протонов, нейтронов и электронов. И его можно высчитать. Шаблон для решения задач по нахождению количества этих частиц выглядит так:
Хим. элемент - R (вставить название элемента)
Протоны (p) - ?
Электроны (е) - ?
Нейтроны (n) - ?
Решение:
р = порядковый № хим. элемента R в периодической системе им Д.И. Менделеева
е = р
n = А r (R) - № R
Что такое молекула: строение
Молекула - это наименьшая частица химического вещества, то есть она уже непосредственно входит в его состав. Молекула определенного вещества состоит из нескольких одинаковых или различных атомов. Особенности строения молекул зависят от физических свойств вещества, в котором они присутствуют. Молекулы состоят из электронов и атомов. Расположение последних можно узнать с помощью структурной формулы. позволяет определить ход химической реакции. Обычно они нейтральные (не имеют электрического заряда), и у них нет неспаренных электронов (все валентности являются насыщенными). Однако они могут быть и заряженными, тогда их правильное название - ионы. Также у молекул могут быть неспаренные электроны и ненасыщенные валентности - в этом случае их называют радикалами.
Заключение
Теперь вы знаете, что такое атом и Все без исключения вещества состоят из молекул, а последние, в свою очередь, построены из атомов. Физические свойства вещества определяют расположение и связь атомов и молекул в нем.
Молекула (франц. molecule, от лат. moles - масса) - это наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры молекул и, в частности, молекул таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами молекул этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами молекул нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.
Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав молекулы выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих молекулу, а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы. Так, из химической формулы глюкозы С 6 H 12 O 6 следует, что молекула глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые молекулы. Наиболее сложными являются молекулы белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.
Для нахождения химической формулы молекулы необходимо определить приблизительный молекулярный вес (см.) исследуемого вещества и простейшую (эмпирическую) формулу его молекулы. Последнюю выводят из процентного состава данного вещества и атомных весов (см.) химических элементов, входящих в состав этого вещества. Так, например, химическим анализом установлено, что бензол состоит из 92,26% углерода и 7,74% водорода. Отсюда следует, что отношение числа атомов углерода к числу атомов водорода в молекуле бензола равно:
где 12,011 и 1,008 - атомные веса углерода и водорода соответственно. Следовательно, простейшая формула бензола должна быть СН. Сопоставляя простейшую формулу бензола с его приблизительным молекулярным весом (78,1), найденным опытным путем, определяют его действительную, или истинную, формулу С 6 Н 6 .
Размеры молекул выражают в А. Так например, диаметр молекулы воды, предполагая, что она имеет сферическую форму, составляет 3,8 А. Молекулы высокомолекулярных веществ значительно больше, например линейные размеры больших и малых осей палочковидных молекул фибриногена быка равны 700 и 40 А, а вируса табачной мозаики - 2800 и 152 А соответственно. Мерой относительной массы молекулы является молекулярный вес (см.), величина которого колеблется от нескольких единиц до миллионов.
Последовательность, в которой атомы связаны в молекуле (химическое строение молекул по А. М. Бутлерову), изображают так называемыми структурными формулами. Например, химическое строение уксусной кислоты С 2 Н 4 O 2 представляют следующей структурной формулой:
где каждая линия обозначает единицу валентности (см.), число линий, подходящих к атому, равно его валентности в данном соединении.
Химическое строение молекулы, находимое на основании определения молекулярного веса, химического состава и изучения химических свойств исследуемого вещества и окончательно подтверждаемое его синтезом из веществ, химическое строение которых известно, является важным фактором, определяющим свойства вещества, в частности его фармакологическое действие, токсичность и биологические функции. Различие в свойствах изомеров (см. Изомерия) является примером зависимости свойств веществ от химического строения их молекул. Атомный состав молекул изомеров одинаков, так, например,
диметиловый эфир и этиловый спирт, будучи изомерами, имеют одинаковые химические формулы С 2 Н 6 O, однако структурные формулы их различны:
чем и объясняются их различные свойства.
Способность атома образовывать то или иное число химических связей с другими атомами в молекулах называют валентностью данного атома. При образовании химической (валентной) связи происходит перегруппировка внешних (валентных) электронов взаимодействующих атомов, в результате которой внешние электронные оболочки атомов в молекуле приобретают устойчивую структуру, свойственную атомам инертных газов (см.) и состоящую обычно из восьми электронов (электронный октет). В зависимости от способа перегруппировки валентных электронов различают несколько основных типов химических связей.
Ионная (электровалентная) связь возникает между атомами элементов, сильно различающихся по химическим свойствам, например между атомами щелочных металлов и атомами галогенов. При этом атом металла отдает электрон атому галогена (рис. 1).
Рис. 1. Образование молекулы хлористого натрия.
Атом, отдающий электрон, становится положительно заряженным ионом. Атом, принимающий электрон, становится отрицательно заряженным ионом. Возникающие таким путем противоположно заряженные ионы взаимно притягиваются, образуя молекулу. Молекулы и соединения с ионными связями (например, соли и окислы металлов первой и второй групп периодической системы элементов) называются гетерополярными. Ионная связь характеризуется большой прочностью (энергия связи), т. е. работой, необходимой для разрыва молекулы на отдельные ионы.
Ковалентная (атомная) связь возникает при взаимодействии одинаковых или близких по свойствам атомов. При этом каждый из соединяющихся атомов отдает по одному или по нескольку валентных электронов на образование пары (или нескольких пар электронов), которая становится общей для обоих атомов. Обобщенная пара электронов, охватывая в своем движении ядра соединяющихся атомов, удерживает их один возле другого. К молекулам с ковалентной связью относятся молекулы простых газов, окислов и водородных соединений не металлов и многих органических соединений:
Точками обозначены электроны, находящиеся на внешних электронных оболочках атомов, химическими знаками - ядра атомов со всеми электронными оболочками, кроме внешних. Пара электронов, связывающих атомы, соответствует валентной черте в обычных структурных формулах.
Молекулы, в которых электрические центры тяжести отрицательных (электроны) и положительных (ядра атомов) зарядов совпадают, называют гомеополярными. К ним относятся, например, молекулы простых газов, углеводородов. Если электрические центры тяжести отрицательных и положительных зарядов в молекулах не совпадают, молекулы называют полярными (например, молекулы воды, аммиака, галогеноводородов, спиртов, кетонов, альдегидов, эфиров). Полярная молекула ведет себя как диполь, т. е. система из двух электрических зарядов е+ и е- , одинаковых по величине, но противоположных по знаку, расположенных на пекотором расстоянии h один от другого (рис. 2).
Рис. 2. Схема диполя.
Произведение e·h=μ называют дипольным моментом молекулы. Последний является мерой полярности молекулы. Вещества, состоящие из полярных молекул, имеют более высокие температуру кипения, теплоемкость, теплоту парообразования и поверхностное натяжение, чем вещества, состоящие из гомеополярных молекул. Взаимодействие между полярными молекулами является одной из причин ассоциации молекул в жидкостях, а взаимодействие полярных молекул растворителя с полярными молекулами или ионами растворенного вещества - сольватации последних. Скорость диффузии полярных молекул через мембрану клеток меньше таковой для гомеополярных молекул.
Координационная (семиполярная, донорно-акцепторная) связь - это разновидность ковалентной связи, возникает между атомами, входящими в состав разных молекул, у одного из которых имеется неподеленная пара электронов, а у другого не хватает двух электронов для образования устойчивой внешней электронной оболочки. Такого рода связи характерны для комплексных соединений. Так, например, соединение молекулы аммиака NH 3 с молекулой фтористого бора BF3 в комплексную молекулу аммиаката фтористого бора осуществляется неподеленной парой электронов азота
Атом азота служит донором, атом бора акцептором электронной пары.
Водородная связь осуществляется между атомом водорода, ковалентно связанным с атомом F, О или N, и атомами F, О или N, находящимися в других молекулах. Прочность водородной связи невелика (5-10 ккал/моль), однако достаточна для образования ассоциаций молекул в жидкостях и растворах. В воде, например, такие ассоциации имеют следующее строение (водородные связи обозначены пунктиром):
Водородные связи возникают не только между молекулами, но и между атомами внутри одной и той же молекулы; это так называемые внутримолекулярные водородные связи (водородные мостики). Примером такой связи может служить водородная связь между атомом водорода и атомом кислорода в молекуле o-метилсалицилата:
Вследствие наличия этой связи свойства o-метилсалицилата резко отличаются от свойств m- и n-изомеров. Наличие водородных мостиков в молекулах нуклеиновых кислот, белков и других полимеров во многом определяет лабильность этих молекул. Водородные связи играют значительную роль в субмикроскопической структуре протоплазмы.
При помощи рентгено-, электроно-, нейтронографии, молекулярной спектроскопии и ядерного магнитного резонанса удалось установить пространственное расположение отдельных атомов в молекуле, т. е. геометрическую конфигурацию молекул ряда веществ, в том числе молекул биологически важных веществ.
Определение пространственной конфигурации молекул слагается из определения так называемые остова молекулы, т. е. пространственного расположения ядер образующих ее атомов, и распределения электронов в пределах данной молекулы.
Остов молекулы находят на основании данных о длине связи и величине валентных углов, определяемых с помощью указанных выше методов. Длина связи представляет собой расстояние между центрами двух атомов в молекуле, связанных друг с другом ковалентной связью. Меньший по величине угол, образуемый прямыми, соединяющими центры двух атомов А 1 и А 2 с центром третьего атома А 3 в данной молекуле, называют валентным углом. Остов молекулы не является абсолютно жестким. Например, в молекулах органических соединений атомы углерода могут вращаться около ординарных (простых) связей, при этом меняется взаимное положение ядер, но остаются постоянными последовательность соединения атомов в молекуле, длина связей и валентные углы. Такие различные формы молекул, возникающие в результате поворота атома углерода вокруг ординарной связи, называют конформациями. Различные конформации одной и той же молекулы легко и обратимо переходят друг в друга, чем объясняются отсутствие изомеров вращения и переход молекул в форму, наиболее соответствующую для протекания той или иной реакции.
Распределение электронов в молекулах находят главным образом с помощью теоретических расчетов, в основе которых лежат два основных принципа квантовой химии. Первый из них утверждает, что электроны в атомах и молекулы могут находиться лишь на дискретных и совершенно определенных энергетических уровнях. Согласно второму принципу электроны в атомах и молекулы нельзя рассматривать как точечные частицы, положение и скорость которых в молекуле (или атоме) можно точно определить для каждого момента времени. В действительности, как учит квантовая механика, можно определить лишь вероятность нахождения электрона в некоторых областях пространства в данный момент времени. Поэтому можно представить, что заряд электрона как бы «размазан» в определенной области пространства в виде электронного облака, распределение которого в пространстве определяется соответствующей математической функцией (называемой волновой функцией электрона или его молекулярной орбиталью (или атомной орбиталью, если его распределение определяют в атоме).
Выло показано, что не все электроны в молекуле одинаково существенны для ее химических свойств. Так, например, в молекуле с большим числом двойных связей, к которым относится подавляющее большинство соединений, играющих доминирующую роль в процессах жизнедеятельности, электроны можно разделить на два типа. К первому типу относятся σ-электроны, участвующие в образовании ординарных связей, ко второму - п-электроны, участвующие в образовании двойных связей. Первые образуют жесткий скелет молекулы и локализованы попарно между соседними атомами. Вторые образуют значительно более расплывчатое облако, охватывающее всю периферию молекулы. В таких молекулах все основные их свойства обусловлены п-электронами, которые более лабильны сравнительно с σ-электронами и поэтому с большей легкостью могут участвовать в различного рода процессах.
Очень часто можно услышать мнение, что атом будучи составной частью молекулы, обладает теми же свойствами и имеет аналогичную структуру. Такая позиция лишь отчасти имеет право на существование, поскольку частицы имеют общие и отличительные признаки. Для начала достаточно рассмотреть свойства двух объектов, и на их основе делать дальнейшие выводы.
Атом можно рассматривать как элементарную частицу однородного вещества
. Такое вещество, по определению, состоит только из одного химического элемента (С, N, O и другие с периодической таблицы Менделеева). Именно наименьшая часть таких элементов, которая может быть носителем их свойств, и называется атомом. Согласно последним современным представлениям, атом состоит из трех составляющих: протонов, нейтронов и электронов.
Первые две субчастицы вместе составляют базовое ядро , которое имеет положительный заряд. Двигающиеся вокруг ядра электроны привносят компенсационный заряд с противоположным знаком. Таким образом, делается первый вывод, что большинство атомов — электрически нейтральны. Что касается оставшейся части, то в силу различных физико-химических процессов, атомы могут либо присоединять, либо отпускать электроны, что приводит к появлению заряда. Атом имеет массу и размер (определяется размерами ядра) и определяет химические свойства вещества.
Молекула
Молекула является минимальной структурной единицей вещества
. Такое вещество может состоять из нескольких химических элементов. Однако, молекулой можно считать и одноатомное вещество одного химического элемента — инертный газ аргона. Как и атомы, является электрически нейтральной. Ионизировать молекулу можно, но уже значительно сложнее: атомы внутри молекулы связаны между собой ковалентной, либо ионной связью. Поэтому присоединить или забрать электрон становится значительно сложнее. Большинство молекул имеет сложную архитектурную постройку, где каждый атом заранее занимает отведенное ему место.
Атом и молекула: общие свойства
Строение . Обе частицы являются структурными единицами вещества. При этом под атомом подразумевается один определенный элемент, молекула же включает в себя уже несколько химически связанных атомов, но структура (положительное ядро с отрицательными электронами) остается той же.
Электрическая нейтральность . При отсутствии внешних факторов — взаимодействия с другим химическим веществом, направленного электрического поля и других раздражителей, — атомы и молекулы не имеют заряда.
Замещение . Атом может выступать как молекула в одном случае — при работе с инертными газами. Также молекулой может считаться одноатомная ртуть.
Наличие массы . Обе частицы имеют свою четкую массу. В случае атома масса зависит от химического элемента и определяется весом ядра (протон почти в 1500 раз тяжелее электрона, поэтому вес отрицательной частицы часто не берется во внимание). Масса молекулы определяется исходя из ее химической формулы — элементов, входящих в ее состав.
Атом и молекула: отличные свойства
Неделимость . Атом является мельчайшим элементом, из которого нельзя выделить еще меньшую частицу. (Получение иона влияет только на заряд, но не на вес). Молекулу, в свою очередь, можно разделить на более мелкие молекулы или можно разложить на атомы. Процесса распада легко добиться с использованием химических катализаторов. Иногда достаточно просто нагреть вещество.
Свободное существование . Молекула может свободно существовать в природе. Атом существует в вольной форме лишь в двух случаях:
- Как одноатомная ртуть или инертный газ.
- В условиях космоса — как отдельные атомы могут находиться любые химические элементы.
В остальных случаях атом всегда входит в состав молекулы.
Образование заряда . Взаимодействие между ядром и электроном в атоме можно легко преодолеть даже мельчайшим электрическим полем. Таким образом, — из атома легко получить положительный или отрицательный ион. Наличие химических связей между атомами внутри молекулы требует приложения гораздо большего электрического поля или взаимодействия с другим химически активным веществом.
