Как сделать строение молекулы

Добавил пользователь Skiper
Обновлено: 10.09.2024

Молекулы относительно высокой молекулярной массы, состоящие из повторяющихся низкомолекулярных фрагментов, называются макромолекулами [9] .

С точки зрения квантовой механики [10] молекула представляет собой систему не из атомов, а из электронов и атомных ядер, взаимодействующих между собой.

Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твёрдом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода(IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твёрдых (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.).

Исследования органических веществ показали, что для познания их природы недостаточно установить их качественный и количественный состав, а также молекулярный вес, но что, кроме того, необходимо установить строение молекулы.

Для веществ простейшего молекулярного состава, для которых невозможна изомерия, уже числа валентности атомов, входящих в состав молекулы, вполне определяют ее структурную формулу. Например, молекулярная формула СН₄О не допускает иного строения, чем го, которое выражается структурной формулой

Следует отметить, что даже в таких простых случаях правильность структурной формулы должна быть подтверждена исследованием свойств вещества. В тех же случаях, когда возможна изомерия, строение молекулы может быть установлено лишь после подробных исследований химических реакций вещества и продуктов его превращений. Исследование строения обыкновенно идет тремя путями: 1) нахождение характерных, или типических, реакций; 2) установление присутствия в составе молекулы исследуемого вещества радикалов определенного строения на основании закона остатков; 3) исследование физических свойств веществ.

Характерные, или типические, реакции

Согласно закону типических реакций, молекулы различных веществ, содержащие одинаковые группы атомов — радикалы, должны быть способны к одинаковым характерным, или типическим, реакциям. Так, сходной реакционной способностью должны обладать, например, NH₃ (аммиак) и R—NH₂ (первичные амины) вследствие наличия в этих соединениях радикала —NH₂.

При исследовании строения органического вещества, после определения его состава и молекулярного веса и установления эмпирической формулы, вещество обычно подвергают действию таких реактивов, которые дают реакции, характерные для определенных групп атомов. В большинстве случаев такое исследование (функциональный анализ) позволяет установить присутствие в молекуле различных радикалов, за исключением углеводородных.

Установление строения молекулы на основании закона ради-калов. Так как при химических превращениях веществ большинство связей атомов остается без изменения, то, очевидно о строении молекулы любого вещества можно составить представление, если знать строение тех молекул, которые получаются при химических реакциях исследуемого вещества, а также молекул, из которых оно может быть получено.

Затем для окончательного выяснения строения молекулы исследуемого вещества идут обратным путем, т. е. из малых мо-

лекул известного строения путем реакций, связывающих определенным образом остатки этих молекул, пытаются построить сначала более крупные молекулы и в конце концов из этих последних получить исследуемое вещество. Этот путь носит название синтетического. Если проведенное таким образом исследование увенчается синтезом исследуемого вещества, то его строение в подавляющем большинстве случаев можно считать окончательно установленным.

Примеры установления строения веществ исследованием их химических реакций. 1. При установлении строения двух веществ, имеющих состав С₂Н₆О, на основании типических реакций можно прийти к заключению, что в одном из них — в этиловом спирте — имеется типическая связь водорода с кислородом, т. е. радикал гидроксил. Наличие гидроксила доказывается тем, что при действии на спирт натрием выделяется замещаемый металлом атом водорода

а также тем, что под действием пятихлористого фосфора (аналогично действию его на воду) образуется хлористый водород ихлорокись фосфора:

При действии хлора на диметиловый эфир происходит замена атомов водорода на атомы хлора, из чего можно заключить, что в диметиловом эфире атомы водорода соединены с атомами углерода так же, как в метане. Действие же иодистого водорода на диметиловый эфир приводит к реакции расщепления, в результате которой получаются иодистый метил и метиловый спирт:

Все эти реакции уже позволяют сделать заключение, что этиловый спирт имеет единственно возможное строение СН₃—СН₂—О—Н и что молекула диметилового эфира построена из двух метилов, связанных кислородным атомом, т. е. имеет строение СН₃—О—СН₃.

Эти формулы строения подтверждаются и следующими реакциями, приводящими к синтезу обоих веществ:

2. Вещество, называемое уксусной кислотой, имеет эмпирическую формулу С₂Н₄О₂. Выделение водорода при действии натрия и выделение хлористого водорода при действии пятихло-ристого фосфора свидетельствуют о том, что уксусная кислота содержит гидроксил, т. е. формулу ее можно написать в виде С₂Н₃О—ОН.

Последовательное замещение на хлор трех атомов водорода согласно уравнениям

дает основание заключить, что все три атома водорода в остатке С₂Н₃О связаны с углеродом.

Остается решить вопрос, связан ли с атомами водорода только один углеродный атом или оба? Ответ на этот вопрос дают реакции расщепления (аналогичные для натриевых солей уксусной и трихлоруксусной кислот), протекающие под действием щелочей при высокой температуре:

Такое протекание реакций означает, что все три атома водорода и все три атома хлора, заменившие атомы водорода, связаны только с одним атомом углерода, т. е. что в уксусной кислоте содержится радикал метил СН₃. Таким образом, строение уксусной кислоты, по всей вероятности, таково:

Эта формула строения подтверждается следующими реакциями, приводящими к синтезу уксусной кислоты:

Из сказанного видно, что установление строения даже таких простых веществ, как этиловый спирт, диметиловый эфир и уксусная кислота, требует обязательного изучения ряда химических реакций и что вообще установление строения является делом значительно более длительным и трудным, чем определение состава и молекулярного веса. Для сложных же органических веществ, состав молекулы которых допускает существование сотен и даже тысяч изомеров, установление строения представляет собой дело чрезвычайной трудности. Нельзя поэтому удивляться, что, например, установление строения известного вещества, называемого обыкновенной, или японской, камфорой, имеющего формулу C₁₀H₁₆O, потребовало работы десятков химиков в течение больше чем полстолетия, и лишь в 1903 г. оно завершилось синтезом этого вещества. Исследование алкалоида хинина — известного антималярийного средства, выделенного из коры хинного дерева в 1820 г., продолжалось более 120 лет. Для установления строения хинина (1908) химикам понадобилось 88 лет, а полный синтез этого вещества был осуществлен только в 1944 г.

Следует, однако, отметить, что в настоящее время применение современных химических и физических методов исследования позволяет выяснять строение и осуществлять синтез сложнейших соединений в очень короткие сроки, примером чего могут служить синтезы некоторых стероидов, многих антибиотиков и др.

Установление строения молекулы наосновании физических свойств вещества

Согласно общему положению теории химического строения, все химические свойства вещества зависят от строения его молекул. Изучение физических свойств органических соединений показало, что и физические свойства веществ находятся в тесной зависимости от строения их молекул.

Физические методы стали ценным дополнением химических методов исследования вещества. Использование физических методов оказывается особенно плодотворным в тех случаях, когда применение химических методов для определения строения веществ затруднительно или невозможно, а именно тогда, когда не может быть осуществлен принцип возможно малого изменения строения при химических реакциях.

Физические методы исследования дают весьма ценные результаты также в тех случаях, когда приходится устанавливать тонкие различия в характере связей между атомами вещества, которые обусловливают характерные изменения реакционной способности, наблюдаемые, например, в ароматических молекулах и в молекулах с сопряженными связями. Успех физического исследования в этих случаях обусловлен главным образом тем, что молекула в ходе такого исследования не изменяется, сохраняет свое строение.

Наконец, физическое исследование, применяемое в дополнение к химическому, значительно сокращает путь установления строения изомерных веществ. Так как величины, характеризующие физические свойства вещества, различны для разных изомеров, точное определение некоторых физических свойств,, как, например, плотности, показателя лучепреломления и др., часто позволяет сделать выбор между несколькими возможными структурными формулами изомерных веществ.

В последние десятилетия значение физических методов исследования чрезвычайно возросло вследствие существенных успехов, достигнутых в теоретическом обосновании зависимости между строением и физическими свойствами. Возникшие новейшие физические методы исследования органических соединений (определение дипольных моментов, рентгенография, электронография, спектроскопия и др.) серьезно углубили наши представления о строении органических молекул и тем самым обогатили теорию химического строения.

Как уже было отмечено ранее, атомы несут две основополагающие функции — функцию исходного структурного материала и функцию генетического кода, предопределяющего формирование молекулярного уровня струкгурообразования вещества. Смысл данного утверждения раскрывается в диполь-оболочечной модели атома.

Диполь-оболочечная модель атома [1,2] является развитием основополагающей и концептуально апробированной оболочечной модели, в начальном варианте предложенной Н. Бором. Согласно данной модели атом представляет собой многослойную структуру вложенных друг в друга электронных сферических оболочек. Устойчивость атомов достигается благодаря динамическому равновесию сил кулоновского притяжения электронов в центральном поле ядра и центробежных сил отталкивания вращающихся электронов. Однако ни модель Н. Бора, ни последующие модификации оболочечной модели атомов не смогли раскрыть электронную структуру атомов и объяснить механизм формирования электронных оболочек.

Одним из руководящих принципов, который был положен в основу построения диполь-оболочечной модели, является принцип минимума потенциальной энергии электронов. Согласно данному принципу электроны каждой из оболочек в результате взаимного отталкивания стремятся образовать правильную конфигурацию с равноудаленными электронами, так что атомы I группы таблицы Менделеева приобретают точечную конфигурацию, атомы II группы — линейную (зеркально-симметричную относительно ядра), атомы III группы — тригональную, атомы IV группы — тетраэдрическую и т.д. вплоть до атомов VIII группы, которым соответствует гексаэ- дрическая (кубическая) конфигурация. Так что номеру N группы таблицы Менделеева соответствует вполне определенная электронная конфигурация внешней оболочки атомы. Согласно данной модели электроны локализованы в положении вершин перечисленных фигур (рис. 2.1). Электроны каждой отдельной оболочки тождественны, а их энергии вырождены. Для описания атомов в данной модели необходимо и достаточно иметь три параметра: п — число оболочек (или номер периода), N_n — число электронов на л-ой оболочке и энергию связи е (или потенциал ионизации) атома.

Характер вращательного движения электронов на внешней оболочке одинаков независимо от числа электронов на оболочке. При этом электронная оболочка сохраняет свою правильную конфигурацию, как и в представлении статической модели атома. Это достигается за счет самосогласованного движения электронов в центральном поле ядра (остова) и в условиях их взаимного кулоновского отталкивания. Эллиптические орбиты образуют розетку с числом лепестков, равным числу валентных электронов. В результате у атома формируются выделенные направления с повышенной электронной плотностью, которые обеспечивают направленность связей в структуре молекул и плотных веществ [1,2].

Шестой электрон достраивает вторую диагональ куба и совместно с уже имеющимися пятью электронами в его вершинах они формируют правильную квадратную бипирамиду, по сути, представляющую октаэдр, т.е. правильный многогранник (относящийся к классу Платоновых тел) с шестью вершинами (рис. 2.1 ж). Шестиэлектронные оболочки атомов образуют сферу с переменным радиусом, изменяющимся в соответствии с периодическим движением электронов по своим эллиптическим орбитам. Правильная высокосимметричная конфигурация атомов VI группы подтверждается октаэдрической геометрией молекул, образуемых на их основе.

Семиэлектронные оболочки достраивают третью диагональ куба, у которого остается только одна незанятая вершина. Такая конфигурация несимметрична по отношению к ядру, поэтому между электронами возникают деформирующие силы, стремящиеся обеспечить баланс сил притяжения и отталкивания. При этом возможны конфигурации в виде одношапочной тригональной призмы (рис. 2.1 з) или пентагональной бипирамиды (рис. 2.1 е).

Характерным признаком всех оболочек с числом электронов от 3 до 8 является относительная независимость электронных орбит, обеспечивающая принципиальную возможность образования независимых химических связей в процессе создания многоатомных молекул. Это достигается благодаря образованию эллиптических орбит, которые позволяют совместить независимость движения электронов на своих орбитах (и тем самым обеспечить динамическую устойчивость атомов) и сохранить одинаковыми для всех электронов оболочки энергии связи их с ядром (остовом).

Данную организацию оболочек надо понимать следующим образом. В статике электроны образуют правильные конфигурации и тем самым обеспечивают устойчивость их оболочек. Движения электронов по эллиптическим орбитам синхронизированы за счет непрерывного действия сил взаимного отталкивания между ними и сохраняющего тем самым правильную геометрию пространственного положения электронов в каждый момент времени. Это означает, что правильная фигура, вписанная в сферу, представляет соответствующую оболочку, а движение электронов по эллипсу приводит к периодическим колебаниям радиуса сферы-оболочки, т.е. электроны находятся в непрерывном колебательном движении на поверхности осциллирующей сферы-оболочки.

Относительная независимость оболочек объясняется тем, что энергия связи электронов нижележащей оболочки не менее, чем на порядок больше энергии связи вышележащей оболочки. Это достигается благодаря прогрессирующему увеличению энергии связи и соответствующему уменьшению размеров оболочек в процессе последовательного увеличения заряда ядра (номера элемента); это результат действия так называемого эффекта самосжатия оболочек. Поэтому увеличение числа оболочек атома не предполагает ожидаемого пропорционального увеличения размеров атома. Их радиус не превышает (2—3) А.

Диполь-оболочечная модель атома имеет надежное экспериментальное обоснование, опирающееся, в первую очередь, на соответствие рассчитываемых в рамках этой модели энергий связи с потенциалами ионизации. Имеющиеся между ними различия в численных значениях отражают различие этих величин в отдельных аспектах и могут служить предметом для последующих исследований с целью уточнения внутриатомного строения [1,2].

В качестве экспериментального подтверждения диполь-оболо- чечной модели также выступает эмпирический закон Мозли, согласно которому энергетическое состояние каждой из оболочек атома строго определенно и отражает относительную независимость этих оболочек. Причем оболочки атома и число электронов на его отдельных оболочках точно соответствуют положению того или иного элемента в периодической таблице Менделеева, что также может служить прямым подтверждением диполь-оболочечной модели. Не менее убедительным доказательством оболочечной модели является скачкообразный характер изменения потенциалов ионизации при переходе от одной оболочки к другой (от одного периода к другому), наблюдаемый в рядах многозарядных катионов [2].

Наблюдаемая у кристаллов совершенная структура также всецело обязана электронному строению атомов. Пример тому — объемно- центрированная структура большинства металлов (как следствие гексаэдрического строения остовов атомов I группы), тетраэдрическая структура ковалентных кристаллов (как следствие тетраэдрической конфигурации атомов IV группы), гексагональная структура ионных кристаллов и т.д.

Таким образом, уже предварительный анализ показывает однозначное соответствие между молекулярной геометрией и электронной конфигурацией составляющих молекулы атомов. Настоящая глава посвящена детальному анализу связи между электронным строением атомов и геометрией молекул.

Моле?кула (новолат. molecula , уменьшительное от лат. moles — масса [1] ) — электрически нейтральная частица, состоящая из двух или более связанных ковалентными связями атомов [2] [3] [4] [5] [6] [7] , наименьшая частица химического вещества. В физике к молекулам причисляют также одноатомные молекулы, то есть свободные (химически не связанные) атомы (например, инертных газов, ртути и т.п.)[1]. Причисление к молекулам одноатомных молекул, то есть свободных атомов, например одноатомных газов, приводит к совместимости понятий "молекула" и "атом" [8] . Совмещение понятий "молекула" и "атом" идёт вразрез с атомно-молекулярным учением, 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.

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.) [10] .

Состав молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул [10] .

Содержание

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

Пространственная структура молекулы диборана.
Длины связей показаны серым, валентные углы — цветным.
Диэдральный угол между плоскостями периферических и мостиковых троек ядер H-B-H составляет 90°

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.

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 (?).

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 ? 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.

Молекулы, содержащие единичные связи, или сигма-связи, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп вокруг единичных связей. Важные особенности макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются именно их конформационными свойствами.

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 Н₂. 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 ·CH₃), обычно неустойчивы, поскольку при их реакции друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей.

Межмолекулярное взаимодействие

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами в пространстве. В зависимости от полярности молекул характер межмолекулярного взаимодействия разный. Природа последнего оставалась неясной до создания квантовой механики.

Ориентационный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя полярными молекулами, то есть, такими, которые имеют собственный дипольный момент. Взаимодействие дипольных моментов и определяет результирующую силу — притяжения или отталкивания. В случае, если дипольные моменты молекул размещаются на одной линии, взаимодействие молекул будет интенсивней.

Индукционный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между одной полярной и одной неполярной молекулами. При этом типе взаимодействия полярная молекула поляризует неполярную молекулу так, что заряд неполярной молекулы, противоположный действующему на неё заряда полярной молекулы, смещается до последнего: в общем, положительный заряд смещается по направлению электрического поля, которое создает полярная молекула, а отрицательный — против. Это обусловливает поляризацию неполярной молекулы, то есть явления смещения связанной электронной оболочки относительно центра положительного заряда.

Дисперсионный тип межмолекулярного взаимодействия возникает между двумя неполярными молекулами. В общем, дипольные моменты неполярных молекул равны нулю, однако в определенный момент времени, есть вероятность распределения электронов по всему объёму молекулы неравномерно. Вследствие этого возникает мгновенный дипольный момент. При этом, мгновенный диполь или поляризует соседние неполярные молекулы, или взаимодействует с мгновенным диполем другой нейтральной молекулы.

Электрические и оптические свойства молекул

Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул — постоянным дипольным моментом и поляризуемостью.

Поляризуемость — это способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется наведенный дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризуемости находят экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемостью молекулы этого вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.

Магнитные свойства молекул

Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений является диамагнитными. Магнитная восприимчивость молекул (ch) для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений ch для отдельных связей.

Молекулы, имеющие постоянный магнитный момент, является парамагнитными. К таковым относятся молекулы с нечетным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незаполненными внутренними оболочками (переходные металлы и т. д.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, поскольку тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле.

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.

Читайте также: