supra química molecular (Inglês) - um campo da química que estuda estruturas supramoleculares (conjuntos constituídos por duas ou mais moléculas mantidas juntas por meios); "química de conjuntos moleculares e ligações intermoleculares" (definição por J.-M. Lena).

Descrição

A química tradicional é baseada em ligações covalentes entre átomos. Ao mesmo tempo, para a síntese de nanossistemas complexos e dispositivos moleculares usados ​​em química covalente não é suficiente, porque tais sistemas podem conter vários milhares de átomos. As interações intermoleculares vêm em socorro - elas ajudam a combinar moléculas individuais em conjuntos complexos chamados estruturas supramoleculares.

O exemplo mais simples estruturas supramoleculares são complexos hospedeiro-hóspede. O hospedeiro (receptor) é geralmente um grande molécula orgânica com uma cavidade no centro, e o convidado é uma molécula ou íon mais simples. Por exemplo, poliésteres cíclicos de vários tamanhos (éteres de coroa) ligam íons com bastante força. metais alcalinos(Figura 1).

As estruturas supramoleculares são caracterizadas pelas seguintes propriedades.

1. A presença não de um, mas de vários centros de ligação no hospedeiro. Nos éteres de coroa, esse papel é desempenhado por átomos de oxigênio com pares de elétrons não compartilhados.

2. Complementaridade: estruturas geométricas e propriedades eletrônicas anfitrião e convidado se complementam. Nos éteres de coroa, isso se manifesta no fato de que o diâmetro da cavidade deve corresponder ao raio do íon. A complementaridade permite que o host realize vinculação seletiva de convidados de uma estrutura estritamente definida. Na química supramolecular, esse fenômeno é chamado de "" (Inglês - reconhecimento molecular) (Fig. 2).

3. Complexos com um grande número as conexões entre anfitrião e hóspede complementares têm uma alta organização estrutural.

As estruturas supramoleculares são muito difundidas na natureza. Todas as reações em organismos vivos ocorrem com a participação de catalisadores de proteínas. As enzimas são moléculas hospedeiras ideais. O centro ativo de cada enzima é projetado de tal forma que apenas a substância (substrato) que corresponde a ela em tamanho e energia pode entrar nele; a enzima não reagirá com outros substratos. Outro exemplo de estruturas bioquímicas supramoleculares são moléculas nas quais duas cadeias de polinucleotídeos são complementarmente ligadas uma à outra por meio de muitas ligações de hidrogênio. Cada cadeia é um convidado e um host para a outra cadeia.

Os principais tipos de interações não covalentes que formam estruturas supramoleculares são iônicas, e . Todas as interações não covalentes são mais fracas que as covalentes - sua energia raramente atinge 100 kJ/mol, porém grande número vínculos entre o hospedeiro e o hóspede garantem a alta estabilidade dos conjuntos supramoleculares. As interações não covalentes são fracas individualmente, mas fortes coletivamente.

A formação de conjuntos supramoleculares pode ocorrer espontaneamente - esse fenômeno é chamado. Este é um processo no qual pequenos componentes moleculares se unem espontaneamente para formar supramoleculares muito maiores e mais complexos. Durante a automontagem, a entropia do sistema diminui, Δ S

Δ G = Δ H – TΔ S

é necessário que Δ H h| > | TΔ S|. Isso significa que a automontagem ocorre com a liberação de uma grande quantidade de calor. Casa força motriz auto-montagem é o desejo dos sistemas químicos de diminuir a energia de Gibbs através da formação de novas ligações químicas, o efeito de entalpia aqui prevalece sobre o de entropia.

As principais classes de compostos supramoleculares são cavitandos, criptandas, calixarenos, complexos hóspede-hospedeiro, catenanos, . Estruturas supramoleculares também podem ser atribuídas.

Os métodos de química supramolecular encontram ampla aplicação dentro análises químicas, medicamento,

O desenvolvimento do campo da ciência chamado química supramolecular é analisado. São dadas as principais definições e conceitos desta disciplina. Em um contexto histórico, são considerados os estudos que lançaram as bases da química supramolecular. Exemplos de alguns de seus objetos típicos, clatratos e ciclodextrinas, são dados. Note-se que as últimas conquistas da química supramolecular e os mais áreas promissoras seus usos estão associados aos processos de automontagem e auto-organização, que, em particular, podem ser implementados na síntese supramolecular e na criação de dispositivos moleculares e supramoleculares.

Química supramolecular. fundo

A química supramolecular é uma das mais jovens e, ao mesmo tempo, rapidamente áreas em desenvolvimento química. Por 25-30 anos de sua existência, já conseguiu passar uma série de Milestones, mas, ao mesmo tempo, as ideias e conceitos básicos desta disciplina ainda não são bem conhecidos e geralmente aceitos. Nesta revisão, buscamos traçar o desenvolvimento do campo da ciência chamado química supramolecular, identificar as definições mais bem sucedidas de suas principais tarefas e os conceitos mais importantes e delinear o estado atual e as perspectivas.

O termo "química supramolecular" e os conceitos básicos desta disciplina foram introduzidos pelo cientista francês J.-M. Lenom em 1978 como parte do desenvolvimento e generalização de mais trabalhos iniciais(em particular, em 1973 o termo “supermolécula” apareceu em seus trabalhos). A química supramolecular foi definida pelas palavras: "Assim como existe um campo de química molecular baseado em ligações covalentes, existe também um campo de química supramolecular, a química de conjuntos moleculares e ligações intermoleculares". Posteriormente, esta primeira definição foi reformulada muitas vezes. Um exemplo de outra definição dada por Len: “química supramolecular é “uma química além da molécula” que estuda a estrutura e função de associações de duas ou mais espécies químicas mantidas juntas por forças intermoleculares”.

Em muitos casos, os componentes que formam sistemas supramoleculares podem ser chamados (por analogia com os sistemas considerados em biologia molecular) receptor molecular e substrato, sendo este último o componente menor que precisa ser ligado.

Para descrever adequadamente um objeto químico, é necessário indicar seus elementos e os tipos de ligações entre eles, bem como características espaciais (geométricas, topológicas). Os objetos da química supramolecular, as supermoléculas, têm a mesma certeza que as moléculas individuais que os compõem. Pode-se dizer que "as supermoléculas são em relação às moléculas o que as moléculas são em relação aos átomos, e o papel das ligações covalentes nas supermoléculas é desempenhado por interações intermoleculares".

De acordo com Lehn, a química supramolecular pode ser dividida em duas áreas amplas e sobrepostas:

– a química das supermoléculas – partículas oligomoleculares claramente marcadas resultantes da associação intermolecular de vários componentes – o receptor e o seu substrato (substratos) e construída sobre o princípio do reconhecimento molecular;

- química de conjuntos moleculares - sistemas polimoleculares que são formados como resultado da associação espontânea de um número indefinido de componentes com uma transição para uma fase específica que tem uma organização microscópica mais ou menos definida e características dependentes de sua natureza (por exemplo, clatratos, membranas, vesículas, micelas).

As formações supramoleculares podem ser caracterizadas pelo arranjo espacial dos componentes, sua arquitetura, "supraestrutura", bem como os tipos de interações intermoleculares que mantêm os componentes juntos. Os conjuntos supramoleculares têm propriedades estruturais, conformacionais, termodinâmicas, cinéticas e dinâmicas bem definidas; vários tipos de interações podem ser distinguidos neles, diferindo em sua força, direcionalidade, dependência de distâncias e ângulos: interações de coordenação com íons metálicos, forças eletrostáticas, hidrogênio ligações, interações de van-der Waals, interações doador-aceitador, etc. A força das interações pode variar em ampla variedade, de fraco ou moderado, como na formação de ligações de hidrogênio, a forte e muito forte, como na formação de ligações de coordenação com um metal. No entanto, em geral, as interações intermoleculares são mais fracas do que ligações covalentes, de modo que os associados supramoleculares são menos termodinamicamente estáveis, cineticamente mais lábeis e dinamicamente mais flexíveis que as moléculas.

Assim, a química supramolecular abrange e torna possível considerar de um ponto de vista unificado todos os tipos de associados moleculares, desde o menor possível (dímero) até o maior (fases organizadas). Ao mesmo tempo, é necessário enfatizar mais uma vez que os objetos da química supramolecular necessariamente contêm partes (subsistemas) que não estão ligadas covalentemente.

Lehn propôs ilustrar a transição da química molecular para a supramolecular com o esquema mostrado na Fig. 1 .

As principais funções das supermoléculas: reconhecimento molecular, transformação (catálise) e transferência. Supermoléculas funcionais, juntamente com montagens e fases polimoleculares organizadas, podem ser usadas para criar dispositivos moleculares e supramoleculares.

Além de Lehn, deve-se mencionar também C. J. Pedersen e D. J. Crum, cujos trabalhos e pesquisas desempenharam um papel importante no desenvolvimento da química supramolecular. Em 1987, esses três cientistas receberam o Prêmio Nobel de Química (por sua contribuição decisiva para o desenvolvimento da química de compostos macroheterocíclicos capazes de formar seletivamente complexos moleculares hospedeiro-hóspede).

Pesquisa que lançou as bases da química supramolecular

As origens dos conceitos básicos da química supramolecular podem ser encontradas em trabalhos realizados no passado e no início deste século. Assim, P. Ehrlich em 1906 realmente introduziu os conceitos de receptor e substrato, enfatizando que as moléculas não reagem umas com as outras se não entrarem primeiro em uma certa ligação. No entanto, a ligação não deve ser qualquer, mas seletiva. Isso foi enfatizado por E. Fischer em 1894, quando formulou seu princípio de “chave-fechadura”, um princípio que sugere que a correspondência estérica, complementaridade geométrica do receptor e do substrato, é a base do reconhecimento molecular. Finalmente, a ligação seletiva requer interação, afinidade entre parceiros, e as raízes dessa ideia podem ser encontradas nos trabalhos de A. Werner, que faz da química supramolecular nesse aspecto uma generalização e desenvolvimento da química de coordenação.

Segundo J.‑M. Len, esses três conceitos - fixação (ligação), reconhecimento e coordenação - lançaram as bases para a química supramolecular.

Alguns outros conceitos da química supramolecular também são conhecidos há muito tempo. Mesmo o termo « Übermolécula”, ou seja, super-, ou supermolécula, foi introduzida já em meados dos anos 30. do nosso século para descrever um nível mais alto de organização decorrente da associação de moléculas coordenadamente saturadas (por exemplo, durante a formação de um dímero ácido acético). Era bem conhecido Papel essencial organização supramolecular em biologia.

No entanto, o surgimento e desenvolvimento da química supramolecular como um campo independente no sistema ciências químicas aconteceu muito mais tarde. Eis o que J.-M. Len em seu livro: “... desenvolvimento rápido novo disciplina científica uma combinação de três condições é necessária. Em primeiro lugar, é necessário reconhecer um novo paradigma que mostra a importância de diferenças díspares e à primeira vista não observações relacionadas, dados, resultados e combiná-los em um único todo coerente. Em segundo lugar, são necessárias ferramentas para estudar objetos nesta área, e aqui o desenvolvimento de tecnologias modernas tem desempenhado um papel decisivo para a química supramolecular. métodos físicos estudos de estrutura e propriedades (espectroscopia IR, UV e especialmente NMR, espectrometria de massa, difração de raios-x etc.), que permitem estudar até mesmo conjuntos supramoleculares relativamente lábeis caracterizados por interações não covalentes de baixa energia. Terceiro, você precisa estar disposto comunidade científica abraçar o novo paradigma para que nova disciplina poderia encontrar uma resposta não apenas entre os especialistas diretamente envolvidos nele, mas também em áreas próximas (e não muito próximas) da ciência. Isso aconteceu com a química supramolecular, até onde se pode julgar pelo ritmo acelerado de seu desenvolvimento e penetração em outras disciplinas nos últimos 25 anos.

De acordo com Lehn, "... a química supramolecular como a conhecemos hoje começou com o estudo da ligação seletiva de cátions de metais alcalinos por ligantes macrocíclicos e macropolicíclicos naturais e sintéticos, éteres de coroa e criptandas".

Entre este tipo de compostos naturais, em primeiro lugar, deve-se destacar o antibiótico valinomicina. Decifrando sua estrutura em 1963, na qual enorme contribuição introduzido por cientistas soviéticos liderados por Yu. A. Ovchinnikov, foi muito além da descoberta usual. Esse depsipeptídeo cíclico (é construído a partir de resíduos de aminoácidos e hidroxiácidos interligados por ligações amida e éster) acabou sendo o primeiro entre os complexos ativos de membrana, ou ionóforos. Esses nomes refletem a capacidade dessas substâncias de formar compostos complexos com cátions alcalinos em soluções e transferir o cátion ligado através de membranas biológicas. Com a descoberta dos ionóforos, a possibilidade de regulação proposital de fluxos de íons em sistemas vivos tornou-se uma possibilidade real. Para o trabalho no campo de complexos ativos de membrana, Ovchinnikov e seus colegas de trabalho foram premiados em 1978 Prêmio Lenin.

QUÍMICA ORGÂNICA. ESTRUTURA MOLECULAR
A. LIGAÇÕES QUÍMICAS DE CARBONO
A natureza química do carbono, intermediário entre metais e não metais típicos, permite que ele forme ligações covalentes com um grande número de elementos, na maioria das vezes com hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, halogênios, enxofre e fósforo. O carbono forma ligações com um alto grau natureza iônica com mais metais eletropositivos, mas tais substâncias são altamente reativas e são usadas como intermediários na síntese. As ligações carbono-carbono são de natureza covalente e são simples (simples), duplas, triplas e aromáticas.
(ver ESTRUTURA MOLECULAR).
sistemas aromáticos. O benzeno - o ancestral da classe de compostos aromáticos - tem uma estabilidade única e entra em reações químicas diferentes das reações de sistemas não aromáticos. Existem outros sistemas aromáticos, dos quais os mais comuns têm orbitais p disponíveis para a formação de ligações p em cada átomo do anel. Sistemas de anéis de cinco membros com duas ligações duplas conjugadas (ou seja, alternadas com simples) e um quinto átomo com um par de elétrons livres também são aromáticos em suas propriedades. Abaixo estão alguns desses sistemas:

O conceito de aromaticidade foi generalizado pelo químico alemão E. Hückel. De acordo com a regra de Hückel, sistemas conjugados cíclicos planares com 4n + 2 elétrons p são aromáticos e estáveis, enquanto os mesmos sistemas com 4n elétrons p são antiaromáticos e instáveis.
Estabilidade de sistemas cíclicos.Ângulo de valência (ângulo entre ligações) em um não estressado fragmento C-C-Cé 109°, e anéis que retêm esse valor são mais estáveis ​​do que aqueles em que os ângulos se desviam muito desse valor. A tensão que surge em sistemas cíclicos como resultado da distorção dos ângulos de ligação é chamada de tensão Bayer - após químico alemão A. Bayer, que primeiro propôs tal explicação para a estabilidade dos anéis saturados. Assim, em anéis de três membros, onde o ângulo de ligação é de apenas 60°, os anéis são fortemente deformados e facilmente quebrados; algumas de suas reações se assemelham a reações de ligação dupla C=C. Os anéis de quatro membros também são tensionados (ângulo de ligação de 90°), mas não com tanta força. Os anéis de cinco membros são quase planos e seus ângulos são de 108°; portanto, eles não são estressados ​​e estáveis. Em anéis de seis membros, como o ciclohexano, os átomos de carbono não estão no mesmo plano; tais ciclos são dobrados, o que reduz o estresse do anel. Anéis de cinco e seis membros são os mais comuns. Anéis grandes também são capazes de reduzir a tensão angular por enrugamento, mas em alguns deles (sete a doze membros) átomos de hidrogênio por lados opostos os anéis se aproximam tanto que sua repulsão torna a conexão menos estável (tensão prelog, em homenagem ao químico suíço V. Prelog, que descobriu esse efeito).
Tautomerismo. Se uma molécula ou íon pode ser representado como várias estruturas que diferem umas das outras apenas na distribuição de elétrons, essas estruturas são chamadas de ressonantes, e as formas ressonantes não estão em equilíbrio umas com as outras, apenas a estrutura eletrônica real da molécula é algo entre esses extremos. No entanto, existem situações em que os átomos se movem em uma molécula quando condições normais tão rapidamente que um equilíbrio é estabelecido espontaneamente entre as várias formas moleculares. Esse fenômeno é chamado de tautomerismo. Um exemplo é o equilíbrio entre cetona e enol (tautomerismo ceto-enol):

Aqui, os dois compostos diferem apenas no arranjo do cátion hidrogênio e no par de elétrons (na ligação p). O equilíbrio é estabelecido rapidamente, mas é fortemente deslocado para a forma ceto. Portanto, álcoois com a estrutura -C=C-OH são geralmente instáveis ​​e rapidamente se convertem à forma ceto, a menos que existam algumas características estruturais que estabilizem a forma enol, por exemplo, em fenóis, que perderiam seu caráter aromático quando convertidos em a forma ceto:

O tautomerismo é comum em moléculas que têm a estrutura -CH=X ou -C=XH, onde X é S, O ou N. Assim, a molécula H2C=C(NH2)-CH3 se reorganiza rapidamente para H3C-C(=NH )-CH3, e R-C(OH)=NH imidas rearranjam em R-C(=O)NH2 amidas. O tautomerismo é comum em sistemas heterocíclicos biologicamente importantes como o ácido barbitúrico e compostos relacionados:

Tais substâncias em equilíbrio tautomérico frequentemente entram em reações características de ambas as formas.
Outros equilíbrios rápidos. Outros equilíbrios rápidos entre moléculas com estruturas relacionadas também são conhecidos. Se quaisquer dois dos grupos OH, SH ou NH2 estiverem no mesmo átomo de carbono, o composto geralmente é instável em comparação com a forma duplamente ligada:

Há casos em que este equilíbrio é deslocado para o composto di-hidroxi. O formaldeído gasoso tem a estrutura CH2=O, mas em solução aquosa ele liga uma molécula de água, adquirindo HO-CH2-OH como a forma predominante. O hidrato de cloral Cl3CCH(OH)2 é estável na forma dihidroxila como resultado do efeito de retirada de elétrons de três átomos de cloro.
B. ISOMERIA
Isomeria da cadeia carbônica. Moléculas que diferem apenas na ramificação da cadeia de carbono são chamadas de isômeros de cadeia. Um exemplo já foi dado - este é um par isomérico de n-butano e isobutano.
isomeria grupos funcionais. Moléculas com as mesmas fórmulas brutas, mas diferentes grupos funcionais são isômeros funcionais, por exemplo etanol C2H5OH e éter dimetílico CH3-O-CH3.
Isomeria de posição. Os isômeros posicionais têm as mesmas fórmulas brutas e grupos funcionais, mas as posições dos grupos funcionais em suas moléculas são diferentes. Assim, 1-cloropropano CH3CH2CH2Cl e 2-cloropropano CH3CHClCH3 são isômeros posicionais.
Isomeria geométrica. Os isômeros geométricos consistem em átomos idênticos conectados na mesma sequência, mas diferem no arranjo espacial desses átomos em relação ao ligações duplas ou anéis. O isomerismo cis-trans das olefinas e o sin-anti-isomerismo das oximas são deste tipo.

Isomeria óptica. As moléculas são chamadas de isômeros ópticos quando são compostas de átomos idênticos conectados da mesma maneira, mas diferem no arranjo espacial desses átomos da mesma maneira que mão direita diferente da esquerda. Tal isomerismo só é possível quando a molécula é assimétrica, i.e. quando não tem plano de simetria. A maneira mais simples para tal situação - a ligação de quatro grupos diferentes ao átomo de carbono. Então a molécula se torna assimétrica e existe em duas formas isoméricas. As moléculas diferem apenas na ordem de ligação ao átomo de carbono central, que é chamado de átomo de carbono assimétrico ou centro quiral, pois está ligado a quatro grupos diferentes. Observe que os dois isômeros ópticos são imagem espelhada uns aos outros; eles são chamados de "enantiômeros" ou "antípodas ópticos" e têm as mesmas características físicas e Propriedades quimicas, exceto que eles giram o plano da luz polarizada em direções opostas e reagem de forma diferente com compostos que são eles próprios isômeros ópticos. Um isômero que gira o plano da luz polarizada no sentido horário é chamado de d- (de "dextro" - direito) ou (+)-isômero; O isômero que gira a luz no sentido anti-horário é chamado de l- (de "esquerda" - esquerda) ou (-)-isômero. Quando mais de um centro assimétrico está presente em uma molécula, o número máximo possível de isômeros ópticos é 2n, onde n é o número de centros assimétricos. Às vezes, alguns desses isômeros são idênticos e isso reduz o número de isômeros ópticos. Assim, meso-isômeros são isômeros ópticos que são opticamente inativos porque possuem um plano de simetria. Os isômeros ópticos que não são imagens especulares são chamados de "diastereômeros"; eles diferem em propriedades físicas e químicas da mesma forma que os isômeros geométricos diferem neles. Essas diferenças podem ser ilustradas pelo exemplo de açúcares de cadeia linear de seis carbonos com seguinte estrutura: CH2OH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-*CHOH-CHO. Aqui, quatro átomos assimétricos, marcados com um asterisco, estão cada um conectado a quatro grupos diferentes; assim, 24 ou 16 isômeros são possíveis. Esses 16 isômeros formam 8 pares de enantiômeros; qualquer par que não seja enantiômero é diastereômero. Seis desses 16 açúcares são apresentados abaixo como assim chamados. Projeções de Fisher.

As designações D- e L- para enantiômeros não se referem ao sentido de rotação (denominado d ou l), mas à posição do OH no carbono assimétrico mais baixo (na projeção de Fischer): quando OH está à direita, o isômero é indicado como D, quando à esquerda, as formas L. D - e L da glicose têm os mesmos pontos de fusão, solubilidade, etc. Por outro lado, glicose e galactose, sendo diastereômeros, têm vários pontos fusão, solubilidade, etc.

Enciclopédia Collier. - Sociedade aberta. 2000 .

Veja o que é "QUÍMICA ORGÂNICA. ESTRUTURA MOLECULAR" em outros dicionários:

Enciclopédia Collier

O ramo da química que estuda os compostos de carbono, que incluem, em primeiro lugar, as substâncias que compõem a maioria matéria viva (proteínas, gorduras, carboidratos, ácidos nucléicos, vitaminas, terpenos, alcalóides, etc.); em segundo lugar, muitas substâncias, ... ... Enciclopédia Collier

Este termo tem outros significados, veja Química (significados). Química (do árabe کيمياء‎‎, que presumivelmente se originou da palavra egípcia km.t (preto), de onde o nome do Egito, solo preto e chumbo “preto ... ... Wikipedia

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A química de moléculas como C2H2, N2H2 e H202 é determinada pelos orbitais formados pela combinação de px - e py - A. No acetileno linear, esses orbitais dão origem aos orbitais tsv preenchidos e icg livres (cap. A molécula , é claro, tem simetria axial.

A química da molécula de monóxido de carbono pode ser parcialmente bem explicada por esta forma, cujo equivalente em termos de teoria do orbital molecular não é considerado aqui. Nessa estrutura, o carbono tem um par de elétrons isolado e uma órbita vazia, pois o núcleo do carbono é circundado apenas por um sexteto de elétrons em vez do usual octeto. Com base nessas considerações, pode-se esperar que o monóxido de carbono também seja capaz de interagir com grupos nucleofílicos, por exemplo, bases, que podem ser uma fonte de elétrons para preencher um octeto. De fato, são conhecidas reações semelhantes de monóxido de carbono; alguns deles também serão discutidos a seguir.

A química das moléculas continua a ser a química orgânica moderna. No entanto, para compostos inorgânicos, a forma molecular da existência de uma substância é característica apenas para o estado de gás e vapor.

A química das moléculas continua sendo a química orgânica moderna, e a maioria das substâncias inorgânicas não tem estrutura molecular. NO último caso macrocorpos são compostos por átomos da mesma Elemento químico, ou de átomos elementos diferentes. O reconhecimento da forma não molecular da existência de uma substância sólida leva à necessidade de revisar algumas disposições da atomística química, para modernizar as leis e conceitos básicos que são válidos para a química pneumática (gas).

Na química molecular, existem dois fundamentos.

Como na química molecular, exotérmica e reações endotérmicas. A determinação da magnitude e do sinal do efeito térmico das reações pode ser realizada usando a lei de equivalência de massa e energia.

A teoria dos grupos é aplicada aqui muito mais amplamente do que na química molecular. Ao mesmo tempo, a capacidade de derivar as regularidades do espectro de massa de partículas a partir de princípios fundamentais, digamos, da geometrodinâmica, é muito mais problemática aqui do que a capacidade de calcular a energia de ligação de uma molécula usando a equação de Schrödinger.

Tal desejo de difundir as idéias e teorias que cresceram nas entranhas de química orgânica(química de moléculas), para o campo da química inorgânica, como agora está claro para nós, acabou sendo ilegal principalmente porque compostos inorgânicos são, via de regra, sistemas não moleculares. Nos mesmos sistemas, não covalentes, mas ligações ionicas. A característica distintiva compostos complexosé que eles são compostos de moléculas, não átomos.

No início, tratava-se apenas de cofatores, que, no entanto, eram frequentemente encontrados com base na análise de associações estruturais cristalinas e transferidos para a química molecular, apesar da falta de material sobre a relação entre química molecular e química dos cristais. Para compostos de certas classes, essas relações são tão simples que permitem que certas valências sejam pré-atribuídas às partículas, das quais os coeficientes reais podem ser derivados. Não se deve esquecer que esta regularidade (que, devido a inúmeras dificuldades, não pode ser tida como certa compostos químicos em geral) tão rapidamente ganhou reconhecimento apenas por uma razão geoquímica. O oxigênio é elemento essencial litosfera externa, e precisamente com base na relação entre o número de átomos de oxigênio e outros elementos em compostos de oxigênio uma regra foi deduzida de que quaisquer razões estequiométricas são impossíveis para associações eletricamente neutras.

No início, tratava-se apenas de coeficientes, que, no entanto, eram frequentemente encontrados com base em uma análise de associações estruturais cristalinas e transferidos para a química molecular, apesar da falta de material sobre a relação entre química molecular e química dos cristais. Atualmente, podemos considerar que em associações atômicas eletricamente neutras, em condições normais, certos tipos de átomos estão em simples razões estequiométricas para outros. Para compostos de certas classes, essas relações são tão simples que permitem que certas valências sejam pré-atribuídas às partículas, das quais os coeficientes reais podem ser derivados. Não se deve esquecer que essa regularidade (que, devido a inúmeras dificuldades, não pode ser tida como certa para compostos químicos em geral) foi reconhecida tão rapidamente apenas por uma razão geoquímica. O oxigênio é o elemento mais importante da litosfera externa, e foi precisamente com base nas razões entre o número de átomos de oxigênio e outros elementos em compostos de oxigênio que a regra foi derivada de que quaisquer razões estequiométricas são impossíveis para associações eletricamente neutras.

Manifestações de interações eletrônico-vibracionais (ou, em suma, vibrônicas) em sistemas poliatômicos, que são combinadas na literatura sob nome comum o efeito Jahn-Teller, formam atualmente uma nova direção em rápido desenvolvimento na física e na química de moléculas e cristais.

É fácil ver que entre as reações I e II existem diferenças fundamentais. A reação I representa a química das moléculas; apenas os fatores de energia participam da ativação de seus reagentes. As reações II representam toda a química, a mudança de moléculas na qual é realizada principalmente com a participação de sistemas de bertollido. A direção e a velocidade das reações I são determinadas inteiramente pela estrutura química das moléculas reagentes. A direção e a velocidade das reações II são determinadas tanto pela estrutura química das moléculas reagentes quanto pela organização química sistema catalítico.

Já para a formação de um anel, ligações de hidrogênio, necessário Estado de excitação, aparentemente, não faz sentido estudar detalhadamente a influência de vários grupos de substituintes no processo de ciclização usando dados de reações convencionais de química orgânica. Pode-se dizer que a fotoquímica está preocupada com a química das moléculas em um estado excitado e não no estado fundamental.

Eu queria me deter brevemente na questão da reatividade das moléculas no estado tripleto. Essa questão, em geral, é muito grande, pois a química das moléculas no estado tripleto é um campo independente. Vou me deter apenas na característica qualitativa da energia de ativação de uma reação envolvendo moléculas no estado tripleto. Qual é a diferença entre tal molécula e um radical. O exemplo mais simples é a molécula de O2, para a qual o estado tripleto é o estado fundamental. NO este caso Obviamente, não há energia de ativação.

A química, cujos conceitos básicos consideraremos, é uma ciência que estuda as substâncias e suas transformações que ocorrem com uma mudança na estrutura e composição e, portanto, nas propriedades. Em primeiro lugar, é necessário definir o que significa um termo como "substância". Se falarmos sobre isso em sentido amplo, é uma forma de matéria que tem uma massa de repouso. Qualquer substância é partícula elementar, por exemplo, um nêutron. Em química, esse conceito é usado em um sentido mais restrito.

Para começar, vamos descrever brevemente os termos e conceitos básicos da química, ciência atômica e molecular. Depois disso, vamos explicá-los, e também delinear alguns leis importantes desta ciência.

Os conceitos básicos da química (substância, átomo, molécula) são familiares a cada um de nós desde a escola. Abaixo é dado uma breve descrição de eles, assim como outros termos e fenômenos não tão óbvios.

átomos

Em primeiro lugar, todas as substâncias que são estudadas em química são constituídas por pequenas partículas chamadas átomos. Os nêutrons não são objeto de estudo desta ciência. Deve-se dizer também que os átomos podem se combinar, resultando na formação de ligações químicas. Para quebrar essa ligação, é necessário um gasto de energia. Consequentemente, os átomos não existem individualmente em condições normais (com exceção dos "gases nobres"). Eles se conectam pelo menos em pares.

Movimento térmico contínuo

O movimento térmico contínuo caracteriza todas as partículas que são estudadas pela química. Os conceitos básicos desta ciência não podem ser enunciados sem falar sobre ela. Com o movimento contínuo das partículas, é proporcional à temperatura (no entanto, deve-se notar que as energias das partículas individuais são diferentes). Ekin = kT / 2, onde k - constante de Boltzmann. Esta fórmula é válida para qualquer tipo de movimento. Como Ekin = mV 2 / 2, o movimento das partículas massivas é mais lento. Por exemplo, se a temperatura for a mesma, as moléculas de oxigênio se movem em média 4 vezes mais devagar que as moléculas de carbono. Isso ocorre porque sua massa é 16 vezes maior. O movimento é oscilatório, translacional e rotacional. A vibração é observada tanto em líquidos como em sólidos, e em substâncias gasosas. Mas translacional e rotacional é mais facilmente realizada em gases. Em líquidos é mais difícil, mas em sólidos- ainda mais difícil.

moléculas

Continuamos a descrever os conceitos básicos e definições de química. Se os átomos se combinam, formando pequenos grupos (chamados de moléculas), esses grupos participam do movimento térmico, agindo como um todo único. Até 100 átomos estão presentes em moléculas típicas, e seu número nas chamadas compostos macromoleculares pode chegar a 105.

Substâncias não moleculares

No entanto, os átomos são frequentemente unidos em enormes coletivos de 107 a 1027. Nessa forma, eles praticamente não participam do movimento térmico. Essas associações têm pouca semelhança com moléculas. São mais como peças. corpo sólido. Essas substâncias são geralmente chamadas de não moleculares. Nesse caso movimento térmicoé realizado dentro da peça, mas não voa, como uma molécula. Há também região de transição tamanhos, que inclui associações que consistem em átomos em uma quantidade de 105 a 107. Essas partículas são ou muito grandes moléculas, ou são pequenos grãos de pó.

íons

Deve-se notar que os átomos e seus grupos podem ter carga elétrica. Nesse caso, eles são chamados de íons em uma ciência como a química, cujos conceitos básicos estudamos. Como as cargas de mesmo nome sempre se repelem, uma substância onde há um excesso significativo de certas cargas não pode ser estável. Negativo e cargas positivas sempre alternam no espaço. E a substância como um todo permanece eletricamente neutra. Observe que as cargas, consideradas grandes em eletrostática, são desprezíveis do ponto de vista da química (para 105-1015 átomos - 1e).

Objetos de estudo em química

Deve-se esclarecer que os objetos de estudo em química são aqueles fenômenos em que os átomos não surgem e não são destruídos, mas apenas se reagrupam, ou seja, eles se combinam de uma nova maneira. Alguns links são quebrados, resultando na formação de outros. Em outras palavras, novas substâncias surgem a partir dos átomos que estavam na composição materiais iniciais. Se, no entanto, os átomos e as ligações existentes entre eles são preservados (por exemplo, durante a evaporação de substâncias moleculares), esses processos pertencem ao campo de estudo não mais da química, mas da física molecular. No caso em que os átomos são formados ou destruídos, estamos falando sobre os assuntos de estudo da energia nuclear ou física atômica. No entanto, a fronteira entre química e fenômenos físicos borrado. Afinal, a divisão em ciências individuais condicional, enquanto a natureza é indivisível. Portanto, o conhecimento da física é muito útil para os químicos.

Descrevemos brevemente os conceitos básicos da química. Agora convidamos você a considerá-los com mais detalhes.

Mais sobre átomos

Átomos e moléculas são o que muitos associam à química. Esses conceitos básicos devem ser claramente definidos. O fato de existirem átomos foi brilhantemente adivinhado há dois mil anos. Então, já no século 19, os cientistas tinham dados experimentais (ainda indiretos). É sobre sobre as múltiplas razões de Avogadro, as leis da constância da composição (a seguir consideraremos esses conceitos básicos da química). O átomo continuou a ser explorado no século 20, quando muitos evidência experimental. Eles foram baseados em dados de espectroscopia, no espalhamento de raios X, partículas alfa, nêutrons, elétrons, etc. O tamanho dessas partículas é de aproximadamente 1 E = 1o -10 m. Sua massa é de cerca de 10 -27 - 10 -25 kg. No centro dessas partículas está um núcleo carregado positivamente, em torno do qual os elétrons com carga negativa se movem. O tamanho do núcleo é de cerca de 10 -15 m. Acontece que escudo do elétron determina o tamanho de um átomo, mas sua massa está quase completamente concentrada no núcleo. Mais uma definição deve ser introduzida, considerando os conceitos básicos da química. Um tipo de átomo que tem a mesma carga nuclear.

É frequentemente encontrado como a menor partícula de uma substância, quimicamente indivisível. Como já observamos, a divisão dos fenômenos em físicos e químicos é condicional. Mas a existência de átomos é incondicional. Portanto, é melhor definir a química através deles, e não vice-versa, os átomos através da química.

ligação química

Isso é o que mantém os átomos juntos. Não permite que eles se espalhem sob a influência do movimento térmico. Observamos as principais características das ligações - esta é a distância e a energia internucleares. Estes são também os conceitos básicos da química. O comprimento de ligação é determinado experimentalmente com uma precisão suficientemente alta. Energia - também, mas nem sempre. Por exemplo, é impossível determinar objetivamente o que é em relação a conexão separada em uma molécula complexa. No entanto, a energia de atomização de uma substância, necessária para quebrar todas as ligações existentes, é sempre determinada. Conhecendo o comprimento da ligação, você pode determinar quais átomos estão ligados (têm uma distância curta) e quais não estão (têm uma distância longa).

Número de coordenação e coordenação

Conceitos Básicos química Analítica inclui esses dois termos. o que eles representam? Vamos descobrir.

O número de coordenação é o número de vizinhos mais próximos de um dado átomo específico. Em outras palavras, este é o número daqueles com quem ele está quimicamente associado. A coordenação é arranjo mútuo, tipo e número de vizinhos. Em outras palavras, este conceito é mais significativo. Por exemplo, o número de coordenação do nitrogênio, característico das moléculas de amônia e ácido nítrico, o mesmo - 3. No entanto, sua coordenação é diferente - não-planar e plana. É determinado independentemente das ideias sobre a natureza da ligação, enquanto o grau de oxidação e valência são conceitos condicionais que são criados para prever antecipadamente a coordenação e a composição.

Definição de molécula

Já tocamos nesse conceito, considerando brevemente os conceitos básicos e as leis da química. Agora vamos nos debruçar sobre isso com mais detalhes. Os livros didáticos geralmente definem uma molécula como a menor partícula neutra de uma substância que tem suas propriedades químicas e também é capaz de existir independentemente. Vale lembrar que essa definição é este momento já desatualizado. Primeiro, o que todos os físicos e químicos chamam de molécula não preserva as propriedades da matéria. A água se dissocia, mas isso requer um mínimo de 2 moléculas. O grau de dissociação da água é 10 -7 . Em outras palavras, apenas uma molécula em 10 milhões pode passar por esse processo. Se você tiver uma molécula, ou até cem, não conseguirá ter uma ideia de sua dissociação. O fato é que efeitos térmicos As reações em química geralmente envolvem a energia de interação entre as moléculas. Portanto, eles não podem ser encontrados por um deles. Tanto química quanto substâncias físicas só pode ser determinado a partir de um grande grupo de moléculas. Além disso, existem substâncias nas quais a "menor" partícula capaz de existir independentemente é indefinidamente grande e muito diferente das moléculas usuais. Uma molécula é na verdade um grupo de átomos que não é eletricamente carregado. Em um caso particular, este pode ser um átomo, por exemplo, Ne. Esse grupo deve ser capaz de participar da difusão, assim como de outros tipos de movimento térmico, atuando como um todo.

Como você pode ver, os conceitos básicos da química não são tão simples. Uma molécula é algo que precisa ser cuidadosamente estudado. Tem suas próprias propriedades, bem como peso molecular. Vamos falar sobre este último agora.

Massa molecular

Como determinar o peso molecular experimentalmente? Uma maneira é baseada na lei de Avogadro, de acordo com densidade relativa par. O método mais preciso é a espectrometria de massa. Um elétron é eliminado de uma molécula. O íon resultante é primeiro acelerado em um campo elétrico, depois defletido magneticamente. A razão entre carga e massa é determinada precisamente pela magnitude do desvio. Existem também métodos baseados nas propriedades que as soluções possuem. No entanto, as moléculas em todos esses casos certamente devem estar em movimento - em solução, no vácuo, no gás. Se eles não estão se movendo, é impossível calcular objetivamente sua massa. E sua própria existência neste caso é difícil de detectar.

Características de substâncias não moleculares

Falando neles, eles notam que são compostos de átomos, não de moléculas. No entanto, o mesmo vale para os gases nobres. Esses átomos se movem livremente, portanto, é melhor pensar neles como moléculas monoatômicas. No entanto, isso não é o principal. Mais importante ainda, em substâncias não moleculares há muitos átomos que estão conectados entre si. Deve-se notar que a divisão de todas as substâncias em não moleculares e moleculares é insuficiente. A divisão por conectividade é mais significativa. Considere, por exemplo, a diferença nas propriedades do grafite e do diamante. Ambos são carbono, mas o primeiro é macio e o segundo é duro. Como eles diferem um do outro? A diferença está justamente em sua conectividade. Se considerarmos a estrutura do grafite, veremos que as ligações fortes existem apenas em duas dimensões. Mas no terceiro, as distâncias interatômicas são muito significativas, portanto, não há ligação forte. O grafite desliza e se divide facilmente sobre essas camadas.

Conectividade da estrutura

Caso contrário, é chamado de dimensão espacial. Representa o número de dimensões do espaço, caracterizadas pelo fato de terem um sistema central contínuo (quase infinito) ( laços fortes). Os valores que pode assumir são 0, 1, 2 e 3. Portanto, é necessário distinguir entre estruturas tridimensionalmente conectadas, em camadas, em cadeia e em ilha (moleculares).

Lei da constância da composição

Já aprendemos os conceitos básicos de química. A substância foi brevemente revisada por nós. Agora vamos falar sobre a lei que se aplica a ele. Geralmente é formulado da seguinte forma: qualquer substância individual (ou seja, pura), independentemente de como foi obtida, tem a mesma quantidade e composição qualitativa. Mas o que significa o conceito?Vamos ver.

Há dois mil anos, quando a estrutura das substâncias ainda não podia ser estudada por métodos diretos, quando nem sequer existiam os conceitos químicos básicos e as leis da química que nos são familiares, ela era determinada descritivamente. Por exemplo, a água é o líquido que forma a base dos mares e rios. Não tem cheiro, cor, sabor. Tem tal e tal temperatura de congelamento e derretimento, fica azul, a água do mar salgada é porque não é limpa. No entanto, os sais podem ser separados por destilação. Mais ou menos assim, método descritivo, os conceitos químicos básicos e as leis da química foram determinados.

Por cientistas tempo, não era óbvio que o líquido que foi liberado jeitos diferentes(combustão de hidrogênio, desidratação de vitríolo, destilação da água do mar), tem a mesma composição. Uma grande descoberta na ciência foi a prova desse fato. Ficou claro que a proporção de oxigênio e hidrogênio não pode mudar suavemente. Isso significa que os elementos são compostos de átomos - porções indivisíveis. Assim, as fórmulas das substâncias foram obtidas e a ideia dos cientistas sobre as moléculas foi justificada.

Hoje em dia, qualquer substância é definida explicitamente ou implicitamente principalmente pela fórmula, e não pelo ponto de fusão, sabor ou cor. A água é H 2 O. Se outras moléculas estiverem presentes, ela não será mais pura. Portanto, puro substância molecularé aquele que é composto de moléculas de apenas um tipo.

No entanto, e os eletrólitos neste caso? Afinal, eles contêm íons, não apenas moléculas. É necessária uma definição mais rigorosa. Uma substância molecular pura é aquela que é composta por moléculas do mesmo tipo, e também, possivelmente, pelos produtos de sua rápida transformação reversível (isomerização, associação, dissociação). A palavra "rápido" neste contexto significa que não podemos nos livrar desses produtos, eles aparecem novamente imediatamente. A palavra "reversível" indica que a transformação não foi concluída. Se trouxe, então é melhor dizer que é instável. Neste caso, não é uma substância pura.

A lei da conservação da massa da matéria

Esta lei é conhecida em forma metafórica desde os tempos antigos. Ele disse que a matéria é incriável e indestrutível. Depois veio a sua formulação quantitativa. Segundo ele, o peso (e a partir do final do século XVII - massa) é uma medida da quantidade de uma substância.

Esta lei em sua forma usual foi descoberta em 1748 por Lomonosov. Em 1789, foi complementado por A. Lavoisier, um cientista francês. Sua formulação moderna soa assim: a massa de substâncias que entram em uma reação química é igual à massa de substâncias que são obtidas como resultado dela.

Lei de Avogadro, a lei das proporções volumétricas dos gases

A última delas foi formulada em 1808 por J. L. Gay-Lussac, um cientista francês. Esta lei é agora conhecida como lei de Gay-Lussac. Segundo ele, os volumes dos gases reagentes estão relacionados entre si, assim como os volumes dos produtos gasosos resultantes, como pequenos inteiros.

O padrão que Gay-Lussac descobriu explica a lei que foi descoberta um pouco mais tarde, em 1811, por Amedeo Avogadro, um cientista italiano. Ele afirma que em condições iguais (pressão e temperatura) em gases com os mesmos volumes, há o mesmo número de moléculas.

Duas consequências importantes decorrem da lei de Avogadro. A primeira é que quando mesmas condições um mol de qualquer gás ocupa um volume igual. O volume de qualquer um deles em condições normais (que são uma temperatura de 0 ° C e uma pressão de 101,325 kPa) é de 22,4 litros. A segunda consequência desta lei é a seguinte: em condições iguais, a razão das massas dos gases com o mesmo volume é igual à razão das suas massas molares.

Há outra lei, que certamente deve ser mencionada. Vamos falar sobre isso brevemente.

Lei e tabela periódica

D. I. Mendeleev, com base nas propriedades químicas dos elementos e ciência atômica e molecular descobriu esta lei. Este evento ocorreu em 1º de março de 1869. Lei Periódicaé um dos mais importantes da natureza. Ela pode ser formulada da seguinte forma: as propriedades dos elementos e as propriedades complexas e substâncias simples têm uma dependência periódica das cargas dos núcleos de seus átomos.

A tabela periódica criada por Mendeleev consiste em sete períodos e oito grupos. Grupos são suas colunas verticais. Os elementos dentro de cada um deles têm propriedades físicas e químicas semelhantes. O grupo, por sua vez, é dividido em subgrupos (principal e secundário).

As linhas horizontais desta tabela são chamadas de períodos. Os elementos que estão neles diferem uns dos outros, mas também têm em comum - que seus últimos elétrons estão localizados no mesmo nível de energia. Há apenas dois elementos no primeiro período. Estes são o hidrogênio H e o hélio He. Há oito elementos no segundo período. Já são 18 deles na quarta, Mendeleev designou esse período como o primeiro grande. O quinto também possui 18 elementos, sua estrutura é semelhante ao quarto. O sexto contém 32 elementos. A sétima não está concluída. Este período começa com frâncio (Fr). Podemos supor que conterá 32 elementos, como o sexto. No entanto, apenas 24 foram encontrados até agora.

Regra de reversão

De acordo com a regra de rollback, todos os elementos tendem a ganhar ou perder um elétron para ter a configuração de gás nobre de 8 elétrons mais próxima deles. A energia de ionização é a quantidade de energia necessária para separar um elétron de um átomo. A regra de reversão afirma que ao mover da esquerda para a direita na tabela periódica necessário mais energia para remover um elétron. Portanto, os elementos do lado esquerdo tendem a perder um elétron. Ao contrário, aqueles localizados com lado direito quer comprá-lo.

Descrevemos brevemente as leis e os conceitos básicos da química. Certamente, isso só informações gerais. No âmbito de um artigo, é impossível falar em detalhes sobre uma ciência tão séria. Os conceitos básicos e as leis da química, resumidos em nosso artigo, são apenas O ponto de partida para um estudo mais aprofundado. De fato, nesta ciência existem muitas seções. Há, por exemplo, produtos orgânicos química Inorgânica. Os conceitos básicos de cada uma das seções desta ciência podem ser estudados por muito tempo. Mas os apresentados acima referem-se a problemas gerais. Portanto, podemos dizer que esses são os conceitos básicos da química orgânica, assim como da inorgânica.