Molekyle
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 8. oktober 2021; checks kræver 15 redigeringer .Molekyle ( novolat. molecula , diminutiv af lat. mol - masse [1] ) er en elektrisk neutral partikel dannet af to eller flere atomer forbundet med kovalente bindinger [2] [3] [4] [5] [6] [7] .
I visse dele af fysikken inkluderer molekyler også monoatomiske molekyler , det vil sige frie (kemisk ubundne) atomer (for eksempel inerte gasser , kviksølv osv.).
Molekyler forstås generelt som neutrale (bærer ingen elektriske ladninger) og bærer ingen uparrede elektroner (alle valenser er mættede); ladede molekyler kaldes molekylære ioner , molekyler med en anden mangfoldighed end enhed (det vil sige med uparrede elektroner og umættede valenser ), - radikaler .
Molekyler med relativt høj molekylvægt , bestående af gentagne fragmenter med lav molekylvægt , kaldes makromolekyler [8] .
Fra kvantemekanikkens synspunkt [9] er et molekyle ikke et system af atomer, men af elektroner og atomkerner, der interagerer med hinanden.
Molekylernes strukturelle egenskaber bestemmer de fysiske egenskaber af et stof, der består af disse molekyler.
Stoffer, der bevarer molekylstrukturen i fast tilstand, omfatter for eksempel vand , kulilte (IV) , mange organiske stoffer. De er kendetegnet ved lave smelte- og kogepunkter. De fleste faste (krystallinske) uorganiske stoffer består ikke af molekyler, men af andre partikler (ioner, atomer) og eksisterer i form af makrostoffer ( natriumchloridkrystal , et stykke kobber osv.).
Sammensætningen af komplekse stoffers molekyler udtrykkes ved hjælp af kemiske formler .
Historie
Ved den internationale kemikerkongres i Karlsruhe i 1860 blev definitioner af begreberne et molekyle og et atom vedtaget. Et molekyle er blevet defineret som den mindste partikel af et kemikalie, der har alle dets kemiske egenskaber.
Klassisk teori om kemisk struktur
I den klassiske teori om kemisk struktur betragtes et molekyle som den mindste stabile partikel af et stof, der har alle dets kemiske egenskaber. I denne definition omfatter molekyler også monoatomiske partikler (især molekyler af inerte gasser )
Molekylet af et givet stof har en konstant sammensætning, det vil sige det samme antal atomer forenet af kemiske bindinger , mens den kemiske individualitet af molekylet bestemmes præcist af helheden og konfigurationen af kemiske bindinger, det vil sige af valensinteraktionerne mellem dets konstituerende atomer, hvilket sikrer dets stabilitet og grundlæggende egenskaber i en ret bred vifte af ydre forhold. Ikke-valente interaktioner (f.eks. hydrogenbindinger ), som ofte kan påvirke egenskaberne af molekyler og det stof, de danner væsentligt, er ikke taget i betragtning som et kriterium for et molekyles individualitet.
Den klassiske teoris centrale position er positionen på den kemiske binding, mens den tillader tilstedeværelsen af ikke kun to-center-bindinger, der forener par af atomer, men også tilstedeværelsen af multi-center (normalt tre-center, nogle gange fire-center) ) bindinger med "bro" atomer - såsom for eksempel bro hydrogenatomer i boraner , den kemiske bindings beskaffenhed betragtes ikke i den klassiske teori - kun sådanne integrale egenskaber som valensvinkler , dihedrale vinkler (vinkler mellem planer dannet af trillinger af kerner), bindingslængder og deres energier tages i betragtning .
Således er et molekyle i den klassiske teori repræsenteret som et dynamisk system, hvor atomer betragtes som materielle punkter, og hvor atomer og beslægtede grupper af atomer kan udføre mekaniske rotations- og oscillerende bevægelser i forhold til en ligevægtskernekonfiguration svarende til minimumsenergien af molekylet og betragtes som et system af harmoniske oscillatorer .
Et molekyle består af atomer, eller mere præcist, af atomkerner, omgivet af et vist antal indre elektroner, og eksterne valenselektroner, der danner kemiske bindinger. De indre elektroner i atomer deltager normalt ikke i dannelsen af kemiske bindinger. Sammensætningen og strukturen af et stofs molekyler afhænger ikke af metoden til dets fremstilling.
Atomer kombineres i et molekyle i de fleste tilfælde ved hjælp af kemiske bindinger. Som regel dannes en sådan binding af et, to eller tre par elektroner, der i fællesskab ejes af to atomer, og danner en fælles elektronsky, hvis form er beskrevet af typen af hybridisering. Et molekyle kan have positivt og negativt ladede atomer ( ioner ).
Sammensætningen af et molekyle formidles af kemiske formler. Den empiriske formel er etableret på grundlag af atomforholdet mellem stoffets grundstoffer og molekylvægt .
Den geometriske struktur af et molekyle er bestemt af ligevægtsarrangementet af atomkerner. Atomers interaktionsenergi afhænger af afstanden mellem kernerne. Ved meget store afstande er denne energi nul. Hvis der dannes en kemisk binding, når atomerne nærmer sig hinanden, så er atomerne stærkt tiltrukket af hinanden (svag tiltrækning observeres selv uden dannelsen af en kemisk binding), med yderligere tilgang begynder de elektrostatiske frastødningskræfter af atomkerner at handle. En hindring for en stærk tilgang af atomer er også umuligheden af at kombinere deres indre elektronskaller.
Hvert atom i en bestemt valenstilstand i et molekyle kan tildeles en bestemt atom- eller kovalent radius (i tilfælde af en ionbinding, den ioniske radius), som karakteriserer dimensionerne af elektronskallen i atomet (ion), der danner et kemikalie binding i molekylet. Størrelsen af et molekyles elektronskal er en betinget værdi. Der er en sandsynlighed (omend meget lille) for at finde elektronerne i et molekyle i større afstand fra dets atomkerne. De praktiske dimensioner af et molekyle bestemmes af den ligevægtsafstand, som de kan bringes sammen til med tæt pakning af molekyler i en molekylær krystal og i en væske . Molekyler tiltrækker hinanden på større afstande og frastøder hinanden på kortere afstande. Dimensionerne af et molekyle kan findes ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse af molekylære krystaller. Størrelsesordenen af disse dimensioner kan bestemmes ud fra diffusionskoefficienter, termisk ledningsevne og viskositet af gasser og ud fra massefylden af stof i kondenseret tilstand. Den afstand, som valens-ubundne atomer af samme eller forskellige molekyler kan nærme sig, kan karakteriseres ved gennemsnitsværdierne af de såkaldte van der Waals-radier .
Van der Waals radius overstiger væsentligt den kovalente. Ved at kende værdierne af van der Waals, kovalente og ioniske radier, er det muligt at bygge visuelle modeller af molekyler, der afspejler formen og størrelsen af deres elektronskaller.
Kovalente kemiske bindinger i et molekyle er placeret i visse vinkler, som afhænger af hybridiseringstilstanden af atomare orbitaler. Så for molekyler af mættede organiske forbindelser er et tetraedrisk (tetraedrisk) arrangement af bindinger dannet af et carbonatom karakteristisk, for molekyler med en dobbeltbinding ( C \u003d C ) - et fladt arrangement af carbonatomer, for molekyler af forbindelser med en tredobbelt binding ( C ≡ C ) - et lineært arrangement af bindinger. Således har et polyatomisk molekyle en vis konfiguration i rummet, det vil sige en vis geometri af arrangementet af bindinger, som ikke kan ændres uden at bryde dem. Et molekyle er karakteriseret ved en eller anden symmetri af arrangementet af atomer. Hvis et molekyle ikke har et plan og et symmetricenter, så kan det eksistere i to konfigurationer, der er spejlbilleder af hinanden (spejlantipoder eller stereoisomerer ). Alle de vigtigste biologiske funktionelle stoffer i dyrelivet findes i form af en specifik stereoisomer.
Molekyler, der indeholder enkeltbindinger eller sigmabindinger , kan eksistere i forskellige konformationer, der opstår, når atomgrupper roterer omkring enkeltbindinger. Vigtige træk ved makromolekyler af syntetiske og biologiske polymerer bestemmes præcist af deres konformationelle egenskaber.
Kvantokemisk teori om kemisk struktur
I den kvantekemiske teori om kemisk struktur er de vigtigste parametre, der bestemmer et molekyls individualitet, dets elektroniske og rumlige (stereokemiske) konfigurationer. I dette tilfælde tages konfigurationen med den laveste energi, det vil sige jordenergitilstanden, som den elektroniske konfiguration, der bestemmer molekylets egenskaber.
Repræsentation af strukturen af molekyler
Molekyler består af elektroner og atomkerner, hvor sidstnævntes placering i molekylet formidles af strukturformlen (den såkaldte bruttoformel bruges til at formidle sammensætningen ). Molekyler af proteiner og nogle kunstigt syntetiserede forbindelser kan indeholde hundredtusindvis af atomer. Makromolekylerne af polymerer betragtes separat .
Molekyler er genstand for undersøgelse af teorien om strukturen af molekyler , kvantekemi , hvis apparat aktivt bruger kvantefysikkens resultater , herunder dets relativistiske sektioner. Også i øjeblikket udvikles et sådant felt af kemi som molekylært design . For at bestemme strukturen af et bestemt stofs molekyler har moderne videnskab et kolossalt sæt værktøjer: elektronspektroskopi , vibrationsspektroskopi , nuklear magnetisk resonans og elektron paramagnetisk resonans og mange andre, men de eneste direkte metoder på nuværende tidspunkt er diffraktionsmetoder, såsom røntgendiffraktionsanalyse og neutrondiffraktion .
Interaktionen mellem atomer i dannelsen af et molekyle
Naturen af kemiske bindinger i et molekyle forblev et mysterium indtil skabelsen af kvantemekanik - klassisk fysik kunne ikke forklare mætning og retning af valensbindinger. Grundlaget for teorien om kemisk binding blev lagt i 1927 af Heitler og London på eksemplet med det enkleste molekyle H 2 . Senere blev teorien og beregningsmetoderne væsentligt forbedret.
Kemiske bindinger i molekylerne i langt de fleste organiske forbindelser er kovalente. Blandt uorganiske forbindelser er der ioniske og donor-acceptorbindinger, som realiseres som et resultat af socialiseringen af et par elektroner i et atom. Energien til dannelse af et molekyle fra atomer i mange serier af lignende forbindelser er omtrent additiv. Det vil sige, vi kan antage, at energien af et molekyle er summen af energierne af dets bindinger, som har konstante værdier i sådanne serier.
Additiviteten af et molekyles energi er ikke altid opfyldt. Et eksempel på krænkelse af additivitet er flade molekyler af organiske forbindelser med såkaldte konjugerede bindinger, det vil sige med multiple bindinger, der veksler med enkelte. En kraftig delokalisering af elektronernes p-tilstande fører til stabilisering af molekylet. Justeringen af elektrontætheden på grund af kollektiviseringen af elektronernes p -tilstande ved bindinger udtrykkes i afkortningen af dobbeltbindinger og forlængelsen af enkeltbindinger. I den regulære sekskant af intercarbonbindinger af benzen er alle bindinger ens og har en længde mellem længden af en enkelt- og en dobbeltbinding. Bindingskonjugation er tydeligt manifesteret i molekylære spektre. Den moderne kvantemekaniske teori om kemiske bindinger tager højde for delokalisering af ikke kun p- , men også s -tilstande af elektroner, som observeres i alle molekyler.
I langt de fleste tilfælde er det samlede spin af valenselektroner i et molekyle nul. Molekyler, der indeholder uparrede elektroner - frie radikaler (for eksempel atomart hydrogen H, methyl CH 3 ) er normalt ustabile, da når de interagerer med hinanden, sker der et signifikant fald i energi på grund af dannelsen af kovalente bindinger . De kan stabilt eksistere ved sådanne temperaturer, når den gennemsnitlige kinetiske energi af molekylet overstiger eller er sammenlignelig med bindingsenergien, men samtidig er lavere end destruktionsenergien (for eksempel ionisering) af radikalet.
Intermolekylære interaktioner
Intermolekylær interaktion er interaktionen mellem elektrisk neutrale molekyler i rummet. Afhængigt af molekylernes polaritet er arten af den intermolekylære interaktion forskellig. Arten af sidstnævnte forblev uklar indtil skabelsen af kvantemekanik.
Den orienterende type intermolekylær interaktion forekommer mellem to polære molekyler, det vil sige dem, der har deres eget dipolmoment. Interaktionen af dipolmomenter bestemmer den resulterende kraft - tiltrækning eller frastødning. Hvis molekylernes dipolmomenter er placeret på samme linje, vil molekylernes interaktion være mere intens.
Den induktive type intermolekylær interaktion forekommer mellem et polært og et upolært molekyle. I denne type interaktion polariserer et polært molekyle et ikke-polært molekyle, således at ladningen af det ikke-polære molekyle, modsat ladningen af det polære molekyle, der virker på det, flyttes til det sidste: generelt den positive ladning forskydes i retning af det elektriske felt, som det polære molekyle skaber, og den negative ladning er modsat. Dette forårsager polarisering af et ikke-polært molekyle, det vil sige fænomenet med forskydning af den bundne elektronskal i forhold til midten af en positiv ladning.
Dispersionstypen af intermolekylær interaktion forekommer mellem to ikke-polære molekyler. Generelt er dipolmomenterne for ikke-polære molekyler lig med nul, men på et bestemt tidspunkt er der mulighed for, at fordelingen af elektroner gennem hele molekylets volumen er ujævn. Som et resultat opstår der et øjeblikkeligt dipolmoment. I dette tilfælde polariserer den øjeblikkelige dipol enten tilstødende ikke-polære molekyler eller interagerer med den øjeblikkelige dipol af et andet neutralt molekyle.
Elektriske og optiske egenskaber af molekyler
Et stofs opførsel i et elektrisk felt bestemmes af molekylers grundlæggende elektriske egenskaber - det permanente dipolmoment og polariserbarhed.
Dipolmomentet betyder misforholdet mellem "tyngdepunkterne" af positive og negative ladninger i molekylet (molekylets elektriske asymmetri). Det vil sige, at molekyler, der har et symmetricenter, såsom H 2 , mangler et permanent dipolmoment og omvendt.
Polariserbarhed er ethvert molekyls elektronskals evne til at bevæge sig under påvirkning af et elektrisk felt, som et resultat af hvilket et induceret dipolmoment dannes i molekylet. Værdien af dipolmomentet og polariserbarheden findes eksperimentelt ved at måle den dielektriske konstant.
Et stofs optiske egenskaber karakteriserer dets adfærd i et vekslende elektrisk felt i en lysbølge og bestemmes af polariserbarheden af et molekyle af dette stof. Lysbrydningen og spredningen af lys, optisk aktivitet og andre fænomener studeret af molekylær optik er direkte relateret til polariserbarhed.
Molekylers magnetiske egenskaber
Molekylerne og makromolekylerne i langt de fleste kemiske forbindelser er diamagnetiske . Den magnetiske modtagelighed af molekyler ( χ ) for individuelle organiske forbindelser kan udtrykkes som summen af χ- værdierne for individuelle bindinger.
Molekyler, der har et permanent magnetisk moment, er paramagnetiske . Disse omfatter molekyler med et ulige antal elektroner i den ydre skal (for eksempel NO og eventuelle frie radikaler), molekyler indeholdende atomer med ufyldte indre skaller ( overgangsmetaller osv.). Den magnetiske modtagelighed af paramagnetiske stoffer er temperaturafhængig, da termisk bevægelse forhindrer orienteringen af magnetiske momenter i et magnetfelt .
Spektra og struktur af molekyler
Elektriske, optiske, magnetiske og andre egenskaber ved molekyler er relateret til bølgefunktioner og energier af forskellige tilstande af molekyler. Information om molekylernes tilstande og sandsynligheden for overgang mellem dem er givet af molekylære spektre.
Vibrationsfrekvenserne i spektrene bestemmes af atomernes masser, deres arrangement og dynamikken i interatomiske interaktioner. Frekvenserne i spektrene afhænger af molekylernes inertimomenter, hvis bestemmelse ud fra spektroskopiske data gør det muligt at opnå nøjagtige værdier af interatomiske afstande i et molekyle. Det samlede antal linjer og bånd i vibrationsspektret af et molekyle afhænger af dets symmetri.
Elektroniske overgange i molekyler karakteriserer strukturen af deres elektronskaller og tilstanden af kemiske bindinger . Spektrene af molekyler, der har et større antal bindinger, er karakteriseret ved absorptionsbånd med lang bølgelængde, der falder ind i det synlige område. Stoffer, der er bygget af sådanne molekyler, er karakteriseret ved farve; sådanne stoffer omfatter alle organiske farvestoffer.
Molekyler i kemi, fysik og biologi
Begrebet et molekyle er fundamentalt for kemi, og videnskaben skylder de fleste informationer om molekylers struktur og funktionalitet til kemisk forskning. Kemi bestemmer strukturen af molekyler ud fra kemiske reaktioner og omvendt bestemmer ud fra strukturen af molekylet, hvad reaktionsforløbet vil være.
Molekylets struktur og egenskaber bestemmer de fysiske fænomener, der studeres af molekylær fysik. I fysik bruges begrebet et molekyle til at forklare egenskaberne af gasser, væsker og faste stoffer. Molekylernes mobilitet bestemmer et stofs evne til at diffundere , dets viskositet , termiske ledningsevne osv. Det første direkte eksperimentelle bevis på eksistensen af molekyler blev opnået af den franske fysiker Jean Perrin i 1906 , mens han studerede Brownsk bevægelse .
Da alle levende organismer eksisterer på basis af en fint afbalanceret kemisk og ikke-kemisk interaktion mellem molekyler, er studiet af molekylers struktur og egenskaber af fundamental betydning for biologi og naturvidenskab generelt.
Udviklingen af biologi, kemi og molekylær fysik førte til fremkomsten af molekylærbiologi , som udforsker livets grundlæggende fænomener, baseret på strukturen og egenskaberne af biologisk funktionelle molekyler.
Se også
Noter
- ↑ Molecule - artikel fra Great Soviet Encyclopedia .
- ↑ IUPAC Gold Book internetudgave: (1994) " molekyle ".
- ↑ Pauling, Linus. Generel kemi (neopr.) . — New York: Dover Publications, Inc. , 1970. - ISBN 0-486-65622-5 .
- ↑ Ebbin, Darrell, D. General Chemistry, 3. udg . — Boston: Houghton Mifflin Co., 1990. - ISBN 0-395-43302-9 .
- ↑ Brown, TL Chemistry - the Central Science, 9. udg . - New Jersey: Prentice Hall , 2003. - ISBN 0-13-066997-0 .
- ↑ Chang, Raymond. Chemistry, 6. udgave (neopr.) . - New York: McGraw-Hill Education , 1998. - ISBN 0-07-115221-0 .
- ↑ Zumdahl, Steven S. Chemistry , 4. udg . Boston: Houghton Mifflin, 1997. - ISBN 0-669-41794-7 .
- ↑ makromolekyle (polymermolekyle) // IUPAC Gold Book . Hentet 12. september 2011. Arkiveret fra originalen 9. maj 2010.
- ↑ Tatevskiy V. M. Kvantemekanik og teori om molekylær struktur. - M .: Forlag ved Moscow State University , 1965 . — 162 s.
Litteratur
- Tatevskiy VM Kvantemekanik og teori om struktur af molekyler. - M .: Publishing House of Moscow State University , 1965. - 162 s.
- Bader R. Atomer i molekyler. Kvanteteori. — M.: Mir, 2001. — 532 s. ISBN 5-03-003363-7
- Minkin V. I. , Simkin B. Ya., Minyaev R. M. Teori om strukturen af molekyler. - M .: Højere skole, 1979 . — 408 s.
- Cook D. Kvanteteori for molekylære systemer. Ensartet tilgang. Per fra engelsk. M.: Intellekt, 2012. - 256 s. ISBN 978-5-91559-096-9
- Stepanov N. F. Molecule // Chemical Encyclopedia : i 5 bind / Kap. udg. I. L. Knunyants . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1992. - T. 3: Kobber - Polymer. - S. 106-109. — 639 s. - 48.000 eksemplarer. — ISBN 5-85270-039-8 .
Links
- Molecule // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 bind (82 bind og 4 yderligere). - Sankt Petersborg. , 1890-1907.
- Molekyler (videolektion, 7. klasses program)
- Molekyle // IUPAC Guldbog
- Molekylær enhed // IUPAC Gold Book
- Schrodinger E. Bølgeteori om atomers og molekylers mekanik. UFN 1927
- Artiklen "Molecule" i Physical Encyclopedia
- Lektion om emnet "Molekyler og atomer"
 Ordbøger og encyklopædier |
| |||
|---|---|---|---|---|
| ||||
| Strukturkemi | |
|---|---|
| kemisk binding | |
| Struktur display | |
| Elektroniske egenskaber | |
| Stereokemi | |