Загальні поняття
Якщо відштовхуватися від теорії квантової механіки, то молекула складається не з атомів, а їх ядер і електронів, які постійно взаємодіють між собою. Для деяких речовин молекула – це найменша частинка, що має склад та хімічні властивості самої субстанції. Так, властивості молекул з точки зору хімії визначаються її хімічним будовою та складом. Але тільки для речовин з молекулярною будовою працює правило: хімічні властивості речовин і молекул однакові. Для деяких полімерів, наприклад, етилену і поліетилену, склад не відповідає молекулярному. Відомо, що властивості молекул визначаються не тільки кількістю атомів, їх типом, але і конфігурацією, порядком з'єднання. Молекула – це складна архітектурна споруда, де кожен елемент стоїть на своєму місці і має своїх конкретних сусідів. Атомна структура може бути більш або менш жорсткою. Кожен атом здійснює коливання відносно свого рівноважного положення.
Конфігурація і параметри
Буває, що деякі частини молекули здійснюють обертання по відношенню до інших частин. Так, в процесі теплового руху вільна молекула набуває химерні форми (конфігурації).В основному властивості молекул визначаються зв'язком (її типом) між атомами і архітектурою самої молекули (структурою, формою). Таким чином, в першу чергу загальна хімічна теорія розглядає хімічні зв'язки і грунтується на властивості атомів. При сильно вираженій полярності властивості молекул важко описати двох - або трехконстантними кореляціями, які відмінно підходять для неполярних молекул. Тому був введений додатковий параметр з дипольним моментом. Але такий спосіб не завжди успішний, так як полярні молекули мають індивідуальні характеристики. Також були запропоновані параметри для урахування квантових ефектів, які мають важливість при низьких температурах.
Що ми знаємо про молекулі найпоширенішого речовини на Землі?
З усіх речовин на нашій планеті, найпоширеніше – це вода. Вона, в прямому сенсі, забезпечує життя всьому сущому на Землі. Тільки віруси можуть без неї обійтися, інші живі структури в своєму складі здебільшого мають воду. Які властивості молекули води, характерні лише їй, використовуються в господарському житті людини і живої природи Землі? Адже це воістину унікальна субстанція! Набором властивостей, властивих воді, не може похвалитися більше жодна речовина. Вода — це основний розчинник в природі. Всі реакції, що протікають в живих організмах, так чи інакше відбуваються у водному середовищі. Тобто речовини вступають у реакції, перебуваючи в розчиненому стані.Вода володіє відмінною теплоємністю, але низькою теплопровідністю. Завдяки таким властивостям ми можемо використовувати її як транспортування тепла. Цей принцип входить у механізм охолодження великого числа організмів. В атомній енергетиці властивості молекули води послужили приводом для використання цієї речовини в якості теплоносія. Крім можливості бути реактивної середовищем для інших речовин, вода сама може вступати в реакції: фотоліз, гідратацію та інші.
Природознавство і молекулярні властивості
Всі речовини, крім хімічних, мають фізичні властивості молекул, що входять в їх структуру. У фізичній науці поняття молекул використовують для пояснення властивостей твердих тіл, рідин і газів. Здатність всіх речовин до дифузії, їх в'язкість, теплопровідність і інші властивості визначаються рухливістю молекул. Коли французький вчений-фізик Жан Перрен вивчав броунівський рух, він експериментально довів існування молекул. Всі живі організми існують завдяки тонко збалансованій внутрішньої взаємодії в структурі. Всі хімічні і фізичні властивості речовин мають фундаментальне значення для природознавства. Розвиток фізики, хімії, біології і молекулярної фізики послужило виникненню такої науки, як молекулярна біологія, що досліджує основні явища в житті.Використовуючи статистичну термодинаміку, фізичні властивості молекул, які визначають методами молекулярної спектроскопії, у фізичної хімії визначають термодинамічні властивості речовин, необхідні для розрахунку хімічних рівноваг і швидкостей його встановлення.
Чим відрізняються властивості атомів і молекул між собою?
Насамперед, атоми не зустрічаються у вільному стані. У молекул оптичні спектри більш багаті. Це пов'язано з меншою симетрією системи і з появою можливості нових обертань і коливань ядер. Молекули сумарна енергія складається із трьох енергій, відмінних по порядку величин складових:Спектральний аналіз
Оптичні, електричні, магнітні та інші властивості молекули визначаються ще й зв'язком з хвильовими функціями. Дані про стани молекул і ймовірний перехід між ними показують молекулярні спектри. Переходи (електронні) у молекулах показують хімічні зв'язки і структуру їх електронних оболонок. Спектри, що мають більшу кількість зв'язків, мають довгохвильові смуги поглинання, які потрапляють у видиму область. Якщо речовина побудовано з таких молекул, воно має характерну забарвлення. Це всі органічні барвники. Властивості молекул однієї і тієї ж субстанції є однаковими у всіх агрегатних станах. Це означає, що в одних і тих же речовин властивості молекул рідких, газоподібних субстанцій не відрізняються від властивостей твердого. Молекула однієї речовини завжди має однакову структуру, незалежно від агрегатного стану самої речовини.
Електричні характеристики
Те, як речовина веде себе в електричному полі, визначається електричними характеристиками молекул: поляризуемостью і постійним дипольним моментом. Дипольний момент – це електрична асиметрія молекули. У молекул, що мають центр симетрії, як H 2 немає постійного дипольного моменту. Здатність електронної оболонки молекули переміщатися під впливом електричного поля, результаті якого в ній утворюється наведений дипольний момент, – це поляризовність. Щоб знайти значення поляризовності та дипольного моменту, необхідно виміряти діелектричну проникність. Поведінка в змінному електричному полі світлової хвилі характеризують оптичні властивості речовини, які визначаються поляризуемостью молекули цієї субстанції. Безпосередньо з поляризуемостью пов'язані: розсіяння, заломлення, оптична активність і інші явища молекулярної оптики. Часто можна почути питання: «Від чого, крім молекул, залежать властивості речовини?» Відповідь на нього досить проста. Властивості речовин, крім ізометрії та кристалічної структури, визначаються температурою навколишнього середовища, самої субстанції, тиском, наявністю домішок.
Хімія молекул
До формування такої науки, як квантова механіка, природа хімічних зв'язків у молекулах була нерозкритою таємницею. Класична фізика пояснити спрямованість і насичуваність валентних зв'язків не могла. Після створення базових теоретичних відомостей про хімічного зв'язку (1927 р.) на прикладі найпростішої молекули Н2 теорія і методи розрахунку стали поступово вдосконалюватися. Наприклад, на основі широкого застосування методу молекулярних орбіталей, квантової хімії, стало можливим обчислювати міжатомні відстані, енергію молекул і хімічних зв'язків, розподіл електронної густини та інших даних, які цілком співпадали з експериментальними. Речовини з однаковим складом, але різним хімічним будовою і різними властивостями, називаються структурними ізомерами. У них різні структурні формули, але однакові молекулярні. Відомі різні типи структурної ізомерії. Відмінності полягають у будівлі вуглецевого кістяка, положення функціональної групи або положення кратного зв'язку. Крім того, ще існують просторові ізомери, у яких властивості молекули речовини характеризуються однаковим складом та хімічною будовою. Тому і структурні, і молекулярні формули у них однакові. Відмінності полягають у просторовій формі молекули. Для зображення різних просторових ізомерів використовують спеціальні формули. Є сполуки, які називаються гомологами. Вони схожі по будові і властивостях, але відрізняються за складом на одну чи кілька груп СН2. Всі речовини, схожі за будовою і властивостями, об'єднані в гомологічні ряди. Вивчивши властивості одного гомолога, можна міркувати про будь-якому іншому з них. Сукупність гомологів – це гомологічний ряд. При перетвореннях структур речовини хімічні властивості молекул різко змінюються. Прикладом служать навіть найпростіші з'єднання: метан, з'єднуючись навіть з одним атомом кисню, стає отруйною рідиною з назвою метанол (метиловий спирт СН3ОН). Відповідно, його хімічна комплементарність і дію на живі організми стають іншими. Аналогічні, але більш складні зміни, що відбуваються при модифікації структур біомолекул. Хімічні молекулярні властивості сильно залежать від будови і властивостей молекул: від енергетичних зв'язків в ній і геометрії самої молекули. Особливо це працює в біологічно активних сполуках. Яка конкурує реакція виявиться домінуючою, часто визначається тільки просторовими факторами, що залежать, у свою чергу, від вихідних молекул (їх конфігурації). Одна молекула, що має «незручну» конфігурацію, взагалі не вступить у реакцію, а інша, з таким же хімічним складом, але іншою геометрією, може зреагувати на реакцію миттєво. Велика кількість біологічних процесів, які спостерігаються при зростанні і розмноженні, пов'язане з геометричними співвідношеннями між продуктами реакції і вихідними речовинами. До відома: дія чималої кількості нових ліків базується на аналогічному будову молекул якого-небудь з'єднання, шкідливого з біологічної точки зору для людського організму. Ліки займає місце шкідливої молекули і утрудняє її дію. З допомогою хімічних формул висловлюють склад і властивості молекул різних речовин. На підставі молекулярної маси, хімічного аналізу встановлюється атомне співвідношення і складається емпірична формула.Геометрія
Визначення геометричної структури молекули проводиться з урахуванням рівноважного розташування атомних ядер. Від відстані між ядрами атомів залежить енергія взаємодії атомів. При дуже великих відстанях ця енергія нульова. При зближенні атомів починає формуватися хімічна зв'язок. Тоді атоми сильно притягуються один до одного. Якщо спостерігається слабке тяжіння, то утворення хімічного зв'язку при цьому не обов'язково. Якщо атоми починають зближуватися на більш близькі відстані між ядрами починають діяти електростатичні сили відштовхування. Перешкодою для сильного зближення атомів є несумісність їх внутрішніх електронних оболонок.