Molekula

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 8. října 2021; kontroly vyžadují 15 úprav .

Molekula ( novolat.  molecula , zdrobnělina lat.  mol  - hmotnost [1] ) je elektricky neutrální částice tvořená dvěma nebo více atomy spojenými kovalentními vazbami [2] [3] [4] [5] [6] [7] .

V určitých částech fyziky molekuly také zahrnují monatomické molekuly , tj. volné (chemicky nevázané) atomy (například inertní plyny , rtuť atd.).

Molekuly jsou obecně chápány jako neutrální (nenesou žádné elektrické náboje) a nenesou žádné nepárové elektrony (všechny valence jsou nasycené); nabité molekuly se nazývají molekulární ionty , molekuly s násobností odlišnou od jednoty (tj. s nepárovými elektrony a nenasycenými valencemi ), - radikály .

Molekuly s relativně vysokou molekulovou hmotností , sestávající z opakujících se fragmentů s nízkou molekulovou hmotností , se nazývají makromolekuly [8] .

Z hlediska kvantové mechaniky [9] molekula není soustavou atomů, ale vzájemně se ovlivňujících elektronů a atomových jader.

Strukturní vlastnosti molekul určují fyzikální vlastnosti látky sestávající z těchto molekul.

Mezi látky, které si zachovávají molekulární strukturu v pevném stavu, patří například voda , oxid uhelnatý (IV) , mnoho organických látek. Vyznačují se nízkými teplotami tání a varu. Většina pevných (krystalických) anorganických látek se neskládá z molekul, ale z jiných částic (iontů, atomů) a existuje ve formě makrotěles ( krystal chloridu sodného , ​​kousek mědi atd.).

Složení molekul komplexních látek se vyjadřuje pomocí chemických vzorců .

Historie

Na mezinárodním kongresu chemiků v Karlsruhe v roce 1860 byly přijaty definice pojmů molekula a atom. Molekula byla definována jako nejmenší částice chemické látky, která má všechny její chemické vlastnosti.

Klasická teorie chemické struktury

V klasické teorii chemické struktury je molekula považována za nejmenší stabilní částici látky, která má všechny její chemické vlastnosti. V této definici molekuly zahrnují také monoatomické částice (zejména molekuly inertních plynů )

Molekula dané látky má konstantní složení, to znamená stejný počet atomů spojených chemickými vazbami , přičemž chemická individualita molekuly je určena právě souhrnem a konfigurací chemických vazeb, tedy valenčními interakcemi . mezi jejími atomy, které zajišťují její stabilitu a základní vlastnosti v dosti širokém rozsahu vnějších podmínek. Nevalentní interakce (například vodíkové vazby ), které mohou často významně ovlivnit vlastnosti molekul a látky, kterou tvoří, nejsou brány v úvahu jako kritérium individuality molekuly.

Ústředním postavením klasické teorie je poloha na chemické vazbě, přičemž umožňuje přítomnost nejen dvoustředových vazeb, které spojují páry atomů, ale také přítomnost vícestředových (obvykle třístředových, někdy čtyřstředových ) vazby s "můstkovými" atomy - jako např. můstkové atomy vodíku v boranech , povaha chemické vazby se v klasické teorii neuvažuje - pouze takové integrální charakteristiky jako valenční úhly , dihedrální úhly (úhly mezi rovinami tvořenými trojice jader), jsou brány v úvahu délky vazeb a jejich energie .

Molekula je tedy v klasické teorii představována jako dynamický systém, ve kterém jsou atomy považovány za hmotné body a ve kterém atomy a příbuzné skupiny atomů mohou vykonávat mechanické rotační a oscilační pohyby vzhledem k nějaké rovnovážné jaderné konfiguraci odpovídající minimální energii molekuly a je považován za systém harmonických oscilátorů .

Molekula se skládá z atomů, přesněji řečeno z atomových jader, obklopených určitým počtem vnitřních elektronů, a vnějších valenčních elektronů, které tvoří chemické vazby. Vnitřní elektrony atomů se obvykle nepodílejí na tvorbě chemických vazeb. Složení a struktura molekul látky nezávisí na způsobu její přípravy.

Atomy jsou spojeny v molekule ve většině případů pomocí chemických vazeb. Taková vazba je zpravidla tvořena jedním, dvěma nebo třemi páry elektronů, které jsou ve společném vlastnictví dvou atomů, tvořících společný elektronový mrak, jehož tvar je popsán typem hybridizace. Molekula může mít kladně a záporně nabité atomy ( ionty ).

Složení molekuly je vyjádřeno chemickými vzorci. Empirický vzorec je stanoven na základě atomového poměru prvků látky a molekulové hmotnosti .

Geometrické složení molekuly je určeno rovnovážným uspořádáním atomových jader. Interakční energie atomů závisí na vzdálenosti mezi jádry. Na velmi velké vzdálenosti je tato energie nulová. Vznikne-li chemická vazba při přiblížení atomů k sobě, pak se atomy k sobě silně přitahují (slabá přitažlivost je pozorována i bez vytvoření chemické vazby), při dalším přiblížení začínají elektrostatické síly odpuzování atomových jader. hrát. Překážkou silného přiblížení atomů je také nemožnost kombinovat jejich vnitřní elektronové obaly.

Každému atomu v určitém valenčním stavu v molekule lze přiřadit určitý atomový nebo kovalentní poloměr (v případě iontové vazby iontový poloměr), který charakterizuje rozměry elektronového obalu atomu (iontu) tvořícího chemickou látku. vazba v molekule. Velikost elektronového obalu molekuly je podmíněná hodnota. Existuje pravděpodobnost (i když velmi malá) najít elektrony molekuly ve větší vzdálenosti od jejího atomového jádra. Praktické rozměry molekuly jsou určeny rovnovážnou vzdáleností, na kterou mohou být přivedeny spolu s hustým uspořádáním molekul v molekulárním krystalu a v kapalině . Molekuly se přitahují na větší vzdálenosti a odpuzují se na kratší vzdálenosti. Rozměry molekuly lze zjistit pomocí rentgenové difrakční analýzy molekulárních krystalů. Řádovou velikost těchto rozměrů lze určit ze součinitelů difúze, tepelné vodivosti a viskozity plynů a z hustoty hmoty v kondenzovaném stavu. Vzdálenost, ke které se mohou valenčně nevázané atomy stejných nebo různých molekul přiblížit, lze charakterizovat průměrnými hodnotami takzvaných van der Waalsových poloměrů .

Van der Waalsův poloměr výrazně převyšuje kovalentní. Se znalostí hodnot van der Waalsových, kovalentních a iontových poloměrů je možné sestavit vizuální modely molekul, které by odrážely tvar a velikost jejich elektronových obalů.

Kovalentní chemické vazby v molekule jsou umístěny pod určitými úhly, které závisí na stavu hybridizace atomových orbitalů. Takže pro molekuly nasycených organických sloučenin je charakteristické tetraedrické (tetraedrické) uspořádání vazeb tvořených atomem uhlíku, pro molekuly s dvojnou vazbou ( C \u003d C ) - ploché uspořádání atomů uhlíku, pro molekuly sloučenin s trojná vazba ( C ≡ C ) - lineární uspořádání vazeb . Polyatomární molekula má tedy určitou konfiguraci v prostoru, tedy určitou geometrii uspořádání vazeb, kterou nelze změnit, aniž by došlo k jejich porušení. Molekula je charakterizována jednou nebo druhou symetrií uspořádání atomů. Pokud molekula nemá rovinu a střed symetrie, pak může existovat ve dvou konfiguracích, které jsou navzájem zrcadlovými obrazy (zrcadlové antipody nebo stereoizomery ). Všechny nejdůležitější biologické funkční látky ve volné přírodě existují ve formě jednoho specifického stereoizomeru.

Molekuly obsahující jednoduché vazby nebo sigma vazby mohou existovat v různých konformacích, které vznikají, když atomové skupiny rotují kolem jednoduchých vazeb. Důležité vlastnosti makromolekul syntetických a biologických polymerů jsou určeny právě jejich konformačními vlastnostmi.

Kvantochemická teorie chemické struktury

V kvantově chemické teorii chemické struktury jsou hlavními parametry, které určují individualitu molekuly, její elektronické a prostorové (stereochemické) konfigurace. V tomto případě je konfigurace s nejnižší energií, tj. stav základní energie, brána jako elektronová konfigurace, která určuje vlastnosti molekuly.

Znázornění struktury molekul

Molekuly se skládají z elektronů a atomových jader, jejich umístění v molekule je vyjádřeno strukturním vzorcem (takzvaný hrubý vzorec se používá k přenosu složení ). Molekuly proteinů a některé uměle syntetizované sloučeniny mohou obsahovat stovky tisíc atomů. Makromolekuly polymerů jsou posuzovány samostatně .

Molekuly jsou předmětem studia teorie struktury molekul , kvantové chemie , jejíž aparát aktivně využívá výdobytky kvantové fyziky , včetně jejích relativistických úseků. V současné době se také rozvíjí taková oblast chemie, jako je molekulární design . K určení struktury molekul konkrétní látky má moderní věda k dispozici kolosální sadu nástrojů: elektronovou spektroskopii , vibrační spektroskopii , nukleární magnetickou rezonanci a elektronovou paramagnetickou rezonanci a mnoho dalších, ale jedinými přímými metodami v současnosti jsou difrakční metody, jako je rentgenová difrakční analýza a neutronová difrakce .

Interakce atomů při tvorbě molekuly

Povaha chemických vazeb v molekule zůstala záhadou až do vytvoření kvantové mechaniky  – klasická fyzika nedokázala vysvětlit saturaci a směr valenčních vazeb. Základy teorie chemické vazby položili v roce 1927 Heitler a London na příkladu nejjednodušší molekuly H 2 . Později byla teorie a výpočetní metody výrazně zdokonaleny.

Chemické vazby v molekulách naprosté většiny organických sloučenin jsou kovalentní. Mezi anorganickými sloučeninami existují iontové a donor-akceptorové vazby, které jsou realizovány jako výsledek socializace páru elektronů v atomu. Energie vzniku molekuly z atomů v mnoha sériích podobných sloučenin je přibližně aditivní. To znamená, že můžeme předpokládat, že energie molekuly je součtem energií jejích vazeb, které mají v takové sérii konstantní hodnoty.

Aditivita energie molekuly není vždy splněna. Příkladem porušení aditivity jsou ploché molekuly organických sloučenin s tzv. konjugovanými vazbami, tedy s násobnými vazbami, které se střídají s jednoduchými. Silná delokalizace p-stavů elektronů vede ke stabilizaci molekuly. Vyrovnání elektronové hustoty v důsledku kolektivizace p -stavů elektronů vazbami se projevuje ve zkracování dvojných vazeb a prodlužování jednoduchých vazeb. V pravidelném šestiúhelníku meziuhlíkových vazeb benzenu jsou všechny vazby stejné a mají délku mezi délkou jednoduché a dvojné vazby. Konjugace vazby se jasně projevuje v molekulárních spektrech. Moderní kvantově mechanická teorie chemických vazeb bere v úvahu delokalizaci nejen p- , ale i s -stavů elektronů, která je pozorována v libovolných molekulách.

V naprosté většině případů je celkový spin valenčních elektronů v molekule nulový. Molekuly obsahující nepárové elektrony - volné radikály (například atomový vodík H, methyl CH 3 ) jsou obvykle nestabilní, protože při jejich vzájemné interakci dochází k výraznému poklesu energie v důsledku tvorby kovalentních vazeb . Mohou stabilně existovat při takových teplotách, kdy průměrná kinetická energie molekuly přesahuje nebo je srovnatelná s vazebnou energií, ale zároveň je nižší než energie destrukce (například ionizace) radikálu.

Mezimolekulární interakce

Mezimolekulární interakce  je interakce mezi elektricky neutrálními molekulami v prostoru. V závislosti na polaritě molekul je povaha mezimolekulární interakce různá. Povaha druhého zůstala nejasná až do vytvoření kvantové mechaniky.

K orientačnímu typu intermolekulární interakce dochází mezi dvěma polárními molekulami, tedy těmi, které mají svůj vlastní dipólový moment. Vzájemné působení dipólových momentů určuje výslednou sílu – přitahování nebo odpuzování. Pokud jsou dipólové momenty molekul umístěny na stejné čáře, bude interakce molekul intenzivnější.

Indukční typ intermolekulární interakce nastává mezi jednou polární a jednou nepolární molekulou. Při tomto typu interakce polarizuje polární molekula nepolární molekulu tak, že náboj nepolární molekuly, opačný k náboji polární molekuly, která na ni působí, je posunut na poslední: obecně kladný náboj je posunut ve směru elektrického pole, které vytváří polární molekula, a záporný náboj je opačný. To způsobí polarizaci nepolární molekuly, tedy jev posunutí vázaného elektronového obalu vzhledem ke středu kladného náboje.

Mezi dvěma nepolárními molekulami dochází k disperznímu typu intermolekulární interakce. Obecně platí, že dipólové momenty nepolárních molekul jsou rovné nule, avšak v určitém okamžiku existuje možnost, že rozložení elektronů v celém objemu molekuly je nerovnoměrné. V důsledku toho vzniká okamžitý dipólový moment. V tomto případě okamžitý dipól buď polarizuje sousední nepolární molekuly, nebo interaguje s okamžitým dipólem jiné neutrální molekuly.

Elektrické a optické vlastnosti molekul

Chování látky v elektrickém poli je určeno základními elektrickými charakteristikami molekul — trvalým dipólovým momentem a polarizovatelností.

Dipólový moment znamená nesoulad "těžišť" kladných a záporných nábojů v molekule (elektrická asymetrie molekuly). To znamená, že molekuly, které mají střed symetrie, jako je H 2 , postrádají trvalý dipólový moment a naopak.

Polarizovatelnost je schopnost elektronového obalu libovolné molekuly pohybovat se vlivem elektrického pole, v důsledku čehož v molekule vzniká indukovaný dipólový moment. Hodnota dipólového momentu a polarizovatelnosti se zjistí experimentálně měřením dielektrické konstanty.

Optické vlastnosti látky charakterizují její chování ve střídavém elektrickém poli světelné vlny a jsou určeny polarizovatelností molekuly této látky. Lom a rozptyl světla, optická aktivita a další jevy studované molekulární optikou přímo souvisí s polarizovatelností.

Magnetické vlastnosti molekul

Molekuly a makromolekuly naprosté většiny chemických sloučenin jsou diamagnetické . Magnetickou susceptibilitu molekul ( χ ) pro jednotlivé organické sloučeniny lze vyjádřit jako součet hodnot χ pro jednotlivé vazby.

Molekuly, které mají permanentní magnetický moment, jsou paramagnetické . Patří sem molekuly s lichým počtem elektronů ve vnějším obalu (například NO a případné volné radikály), molekuly obsahující atomy s nevyplněnými vnitřními obaly ( přechodné kovy atd.). Magnetická susceptibilita paramagnetických látek je závislá na teplotě, protože tepelný pohyb brání orientaci magnetických momentů v magnetickém poli .

Spektra a struktura molekul

Elektrické, optické, magnetické a další vlastnosti molekul souvisí s vlnovými funkcemi a energiemi různých stavů molekul. Informace o stavech molekul a pravděpodobnosti přechodu mezi nimi poskytují molekulová spektra.

Frekvence vibrací ve spektrech jsou určeny hmotnostmi atomů, jejich uspořádáním a dynamikou meziatomových interakcí. Frekvence ve spektrech závisí na momentech setrvačnosti molekul, jejichž určení ze spektroskopických dat umožňuje získat přesné hodnoty meziatomových vzdáleností v molekule. Celkový počet čar a pásem ve vibračním spektru molekuly závisí na její symetrii.

Elektronové přechody v molekulách charakterizují strukturu jejich elektronových obalů a stav chemických vazeb . Spektra molekul, které mají větší počet vazeb, se vyznačují dlouhovlnnými absorpčními pásy, které spadají do viditelné oblasti. Látky, které jsou vytvořeny z takových molekul, jsou charakterizovány barvou; takové látky zahrnují všechna organická barviva.

Molekuly v chemii, fyzice a biologii

Koncept molekuly je pro chemii zásadní a věda vděčí za většinu informací o struktuře a funkčnosti molekul chemickému výzkumu. Chemie určuje strukturu molekul na základě chemických reakcí a naopak na základě struktury molekuly určuje, jaký bude průběh reakcí.

Struktura a vlastnosti molekuly určují fyzikální jevy, které studuje molekulární fyzika. Ve fyzice se pojem molekula používá k vysvětlení vlastností plynů, kapalin a pevných látek. Pohyblivost molekul určuje schopnost látky difundovat , její viskozitu , tepelnou vodivost atd. První přímý experimentální důkaz existence molekul získal francouzský fyzik Jean Perrin v roce 1906 při studiu Brownova pohybu .

Protože všechny živé organismy existují na základě jemně vyvážené chemické a nechemické interakce mezi molekulami, má studium struktury a vlastností molekul pro biologii a přírodní vědy obecně zásadní význam.

Rozvoj biologie, chemie a molekulární fyziky vedl ke vzniku molekulární biologie , která zkoumá základní jevy života na základě struktury a vlastností biologicky funkčních molekul.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Molekula - článek z Velké sovětské encyklopedie . 
  2. ↑ IUPAC Gold Book internetové vydání: (1994) " molekula ".
  3. ↑ Pauling, Linus. Obecná chemie  (neopr.) . — New York: Dover Publications, Inc. , 1970. - ISBN 0-486-65622-5 .
  4. ↑ Ebbin, Darrell, D. Obecná chemie, 3. vyd  . — Boston: Houghton Mifflin Co., 1990. - ISBN 0-395-43302-9 .
  5. ↑ Brown, TL Chemistry - the Central Science, 9th Ed  . - New Jersey: Prentice Hall , 2003. - ISBN 0-13-066997-0 .
  6. ↑ Chang, Raymond. Chemie, 6. vydání  (neopr.) . - New York: McGraw-Hill Education , 1998. - ISBN 0-07-115221-0 .
  7. ↑ Zumdahl, Steven S. Chemistry , 4. vydání  . Boston: Houghton Mifflin, 1997. - ISBN 0-669-41794-7 .
  8. ↑ makromolekula (molekula polymeru) // Zlatá kniha IUPAC . Získáno 12. září 2011. Archivováno z originálu 9. května 2010.
  9. ↑ Tatevskiy V. M. Kvantová mechanika a teorie molekulární struktury. - M.: Nakladatelství Moskevské státní univerzity , 1965 . — 162 s.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Strukturní chemie
chemická vazba
Zobrazení struktury
Elektronické vlastnosti
Stereochemie