Молекула
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Молекула (новолат. molecula, зменшувально від лат. moles - маса) - мікрочастка речовини, яка зберігає всі її хімічні властивості.
Поняття молекули з'явилось в хімії в зв'зку з необхідністю відрізняти молекулу, як найменшу кількість речовини, здатну вступати в хімічні реакції, від атома, як найменшої кількості елемента, який входить в склад молекули.
Зміст |
[ред.] Будова та склад молекули
Молекула складається з атомів, а якщо точніше, то з атомних ядер, оточуючих їх внутрішніх електронів та зовнішніх валентних електронів, що утворюють хімічні зв'язки. Внутрішні електрони атомів, зазвичай, не приймають участі в утворенні хімічних зв'язків. Склад та будова молекул речовини не залежать від способу її отримання. У випадку одноатомних молекул (наприклад, інертних газів) поняття молекула й атом співпадають.
Атоми об'єднуються в молекулі в більшості випадків за допомогою хімічних зв'язків. Як правило, такий зв'язок утворюється однією, двома або трьома парами електронів, якими спільно володіють два атома. Молекула може містити позитивно та негативно заряджені атоми (іони).
Склад молекули передається хімічними формулами. Емпірична формула встановлюється на основі атомного співвідношення елементів речовини та молекулярної маси.
Геометрична структура молекули визначається рівноважним розташуванням атомних ядер. Енергія взаємодії атомів залежить від відстані між ядрами. На дуже великих відстанях ця енергія дорівнює нулю. Якщо при зближенні атомів утворюється хімічний зв'язок, то атоми сильно притягуються один до одного (слабке притяжіння спостерігається і без утворення хімічного зв'язку); при подальшому зближенні починають діяти електростатичні сили віштовхування атомних ядер. Перепоною до сильного зближення атомів є також неможливість суміщення їх внутрішніх електронних оболонок.
Рівноважні відстані в двоатомних і багатоатомних молекулах та розташування атомних ядер визначаються методами спектроскопії, рентгенівського структурного аналізу, електронографії та нейтронографії, які дозволяють отримати відомості про розподілення електронів (електронну щільність) в молекулі. Рентгенографічне випромінювання молекулярних кристалів дає можливість встановити геометричну будову дуже складних молекул, навіть молекул білків.
Кожному атому в певному валентному стані в молекулі можна приписати певний атомний, або ковалентний, радіус (у випадку іонного зв'язку - іонний радіус), який характеризує розміри електронної оболонки атому (іону), що утворює хімічний зв'язок в молекулі.
Розмір молекули, тобто розмір її електронної оболонки, є величиною до певної міри умовною. Існує ймовірність (хоча й дуже мала) знайти електрони молекули і на більшій відстані від її атомного ядра. Практичні розміри молекули визначаються рівноважною відстанню, на яку вони можуть бути зближені при щільному упакуванні молекули в молекулярному кристалі та в рідині. На великих відстанях молекули притягаються одна до одної, на менших - відштовхуються. Розміри молекули можна знайти за допомогою рентгеноструктурного аналізу молекулярних кристалів. Порядок величини цих розмірів може бути визначений з коефіцієнтів дифузії, теплопровідності та в'язкості газів та зі щільності речовини в конденсованому стані. Відстань, на яку можуть зблизитись валентно не пов'язані атоми однієї й тієї ж чи різних молекул, може бути охарактеризована середніми значеннями так званих ван-дер-ваальсових радіусів (Ǻ).
Ван-дер-ваальсові радіуси суттєво перевищують коваленті. Знаючи величини ван-дер-ваальсовых, ковалентних, та іонних радіусів, можна побудувати наглядні моделі молекул, які б відображали форму і розміри їх електронних оболонок.
Ковалентні хімічні зв'язки в молекулі розташовані під певними кутами, які залежать від стану гібридизації атомних орбіталій. Так, для молекул насичених органічних сполук характерно тетраедральне (чотиригранне) розташування зв'язків, що утворюються атомом вуглецю; для молекул з подвійним зв'язком (С=С) - пласке розташування атомів вуглецю; для молекул сполук з потрійним зв'язком (СºС) - лінійне розташування зв'язків.
Таким чином, багатоатомна молекула має певну конфігурацію у просторі, тобто певну геометрію розташування зв'язків, яка не може бути змінена без їх розриву. Молекула характеризуєтся тією чи іншою симетрією розташування атомів. Якщо молекула не має площини і центру симетрії, то вона може існувати в двох конфігураціях, які являють собою зеркальні відображення одна одної (зеркальні антиподи, або стереоізомери. Всі найважливіші біологічні функціональні речовини в живій природі існують в формі одного певного стереоізомера.
Молекули, які містять одиничні зв'язки, або сігма-зв'язки, можуть існувати в різних конформаціях, що виникаються при поворотах атомних груп навколо одиничних зв'язків. Важливі особливості макромолекул синтетичних і біологічних полімерів визначаються саме їх конформаційними властивостями.
[ред.] Взаємодія атомів в молекулі
Природа хімічних зв'язків в молекулі залишалася загадкою аж до створення квантової механіки - класична фізика не могла пояснити насичуваність і направленість валентних зв'язків. Основи теорії хімічного зв'язку були створені в 1927 році Гейтлером та Лондоном на прикладі найпростішої молекулы Н2. Пізніше, теорія і методи розрахунків були значно вдосконалені.
Хімічні зв'язки в молекулах переважної більшості огранічних сполук є ковалентними. Серед неогранічних сполук існують іонні та донорно-акцепторні зв'язки, які реалізуються в результаті усуспільнення пари електронів атома.
Енергія утворення молекули з атомів в багатьох рядах подібних сполук наближено аддитивна. Тобто можна вважати, що енергія молекули - це сума енергій її зв'язків, що мають постійні значення таких рядах.
Аддитивність енергії молекули виконується не завжди. Прикладом порушення аддитивності є пласкі молекули органічних сполук з так званими сполученими зв'язками, тобто з кратними зв'язками, які чергуються з одиничними. В таких випадках валентні електрони, які визначають кратність зв'язків, так звані p-eлектрони, стають спільними для всієї системи сполучених зв'язків, делокалізованими. Така делокалізація електронів призводить до стабілізації молекули. Вирівнювання електронної щільності в наслідок усуспільнення p-eлектронів по зв'язкам виражається в подовжненні подвійних зв'язків та укороченні одниничних. В правильному шестикутнику міжвуглецевих зв'язків та бензолу всі зв'язки однакові і мають довжину, посередню між довжиною одниничного і подвійного зв'язку. Сполучення зв'язків яскраво проявляється в молекулярних спектрах.
Сучасна квантовомеханічна теорія хімічних зв'язків враховує часткову делокалізацію не тільки p-, але й s-електронів, яка спостерігається в будь-яких молекулах.
В переважній більшості випадків сумарний спін валентних електронів в молекулі дорівнює нулю, тобто спіни електронів попарно насичені. Молекули, які містять неспарені електрони - вільні радикали (наприклад, атомний водень Н--, метил CH--3), зазвичай нестійкі, оскільки при їх з'єднані один з одним відбувається значне зниження енергії внаслідок утворення валентних зв'язків.
[ред.] Електричні і оптичні властивості молекул
Поведінка речовини в електричному полі визначається основними електричними характеристиками молекул - постійним дипольним моментом та поляризуємістю.
Дипольний момент означає неспівпадіння центрів ваги позитивних та негативних зарядів в молекулі (електричну асиметрію молекули). Тобто молекули, які мають центр симетрії, наприклад H2, позбавлені постійного дипольного моменту, і навпаки.
Поляризуємість - це здатність електронної оболонки будь-якої молекули зміщуватись під дією електричного поля, в результаті чого в молекулі утворюється індукований дипольний момент. Значення дипольного моменту і поляризуємості знаходять експериментально за допомогою вимірювання діелектричної проникності.
Оптичні властивості речовини характеризують її поведінку в перемінному електричному полі світлової хвилі і визначаються поляризуємістю молекули цієї речовини. З поляризуємістю безпосередньо пов'язані переломлення і розсіювання світла, оптична активність та інші явища, що вивчаються молекулярною оптикою.
[ред.] Магнітні властивості молекул
Молекули і макромолекули переважної більшості хімічних сполук є діамагнітними. Магнітна сприйнятливість молекул (с) для окремих органічних сполук може бути виражена як сума значень с для окремих зв'язків.
Молекули, які мають постійний магнітний момент, є парамагнітними. До таких відносяться молекули з непарною кількістю електронів у зовнішній оболонці, (наприклад, NO та будь-які вільні радикали), молекули, які містять атоми с незамкненими (незаповненими) внутрішніми оболонками (перехідні метали, тощо). Магнітна сприйнятливість парамагнітних речовин залежить від температури, оскільки тепловий рух перешкоджає орієнтації магнітних моментів в магнітному полі.
[ред.] Cпектри і будова молекул
Електричні, оптичні, магнітні та інші властивості молекул пов'язані з хвильовими функціями і енергіями різних станів молекул. Інформацію про стани молекул і ймовірності переходу між ними дають молекулярні спектри.
Частоти коливань в спектрах визначаються масами атомів, їх розташуванням та динамікою міжатомних взаємодій. Частоти в спектрах залежать від моментів інерції молекул, визначення яких зі спектроскопічних даних дозволяє отримати найбільш точні значення міжатомних відстаней в молекулі. Загальне число ліній і полос в коливальному спектрі молекули залежить від її симетрії.
Електронні переходи в молекулах характеризують структуру їх електронних оболонок та стан хімічних зв'язків. Спектри молекул, які мають більшу кількість сполучених зв'язків, характеризуються довгохвильовими полосами поглинання, що потрапляють в видиму область. Речовини, які побудовані з таких молекул, характеризуються барвистістю; до таких речовин відносяться всі органічні барвиники.
[ред.] Молекули в хімії, фізиці та біології
Поняття молекули є основним для хімії, і більшою частиною відомостей про будову і функціональність молекул наука зобов'язана хімічним дослідженням. Хімія визначає будову молекул на основі хімічних реакцій і, навпаки, на основі будови молекули, визначає яким буде хід реакцій.
Будовою і властивостями молекули визначаються фізичні явища, які вивчаються молекулярною фізикою. В фізиці поняття молекули використовується для пояснення властивостей газів, рідин і твердих тіл. Рухомістю молекул визначається здатність речовини до дифузії, її в'язкість, теполопровідність, тощо. Перший прямий експериментальний доказ існування молекул було отримано французьским фізиком Ж. Перреном в 1906 році під час вивчення броунівського руху.
Оскільки всі живі організми існують на основі тонко збалансованої хімічної і нехімічної взаємодії між молекулами, вивчення будови і властивостей молекул має фундаментальне значення для біології і природознавства в цілому.
Розвиток біології, хімії та молекулярної фізики призвели до виникнення молекулярної біології, яка досліджує основні явища життя, виходячи з будови і властивостей біологічно функціональних молекул.
