Tots els cossos que ens envolten estan formats per àtoms. Els àtoms, al seu torn, s'agrupen en una molècula. És a causa de la diferència en l'estructura molecular que es pot parlar de substàncies diferents entre si, en funció de les seves propietats i paràmetres. Les molècules i els àtoms estan sempre en un estat de dinàmica. En moviment, encara no es dispersen en diferents direccions, sinó que es mantenen en una estructura determinada, cosa que devem a l'existència d'una gran varietat de substàncies a tot el món que ens envolta. Quines són aquestes partícules i quines són les seves propietats?
Conceptes generals
Si partim de la teoria de la mecànica quàntica, aleshores la molècula no consta d'àtoms, sinó dels seus nuclis i electrons, que interactuen constantment entre ells.
Per a algunes substàncies, una molècula és la partícula més petita que té la composició i les propietats químiques de la mateixa substància. Per tant, les propietats de les molècules des del punt de vista de la química estan determinades per la seva estructura química icomposició. Però només per a substàncies amb estructura molecular, la regla funciona: les propietats químiques de les substàncies i les molècules són les mateixes. Per a alguns polímers, com l'etilè i el polietilè, la composició no coincideix amb la composició molecular.
Se sap que les propietats de les molècules estan determinades no només pel nombre d'àtoms, el seu tipus, sinó també per la configuració, l'ordre de connexió. Una molècula és una estructura arquitectònica complexa, on cada element es troba al seu lloc i té els seus veïns específics. L'estructura atòmica pot ser més o menys rígida. Cada àtom vibra al voltant de la seva posició d'equilibri.
Configuració i paràmetres
Passa que algunes parts de la molècula giren en relació amb altres parts. Així, en el procés de moviment tèrmic, una molècula lliure pren formes estranyes (configuracions).
Bàsicament, les propietats de les molècules estan determinades per l'enllaç (el seu tipus) entre els àtoms i l'arquitectura de la mateixa molècula (estructura, forma). Així, en primer lloc, la teoria química general considera els enllaços químics i es basa en les propietats dels àtoms.
Amb una polaritat forta, les propietats de les molècules són difícils de descriure amb correlacions de dues o tres constants, que són excel·lents per a molècules no polars. Per tant, es va introduir un paràmetre addicional amb un moment dipolar. Però aquest mètode no sempre té èxit, ja que les molècules polars tenen característiques individuals. També s'han proposat paràmetres per tenir en compte els efectes quàntics, que són importants a baixes temperatures.
Què sabem sobre la molècula de la substància més comuna a la Terra?
De totes les substàncies del nostre planeta, la més comuna és l'aigua. En el sentit literal, proporciona vida a tot el que existeix a la Terra. Només els virus poden prescindir-ne, la resta d'estructures vives en la seva composició tenen en la seva majoria aigua. Quines propietats de la molècula d'aigua, característiques només d'ella, s'utilitzen en la vida econòmica de l'home i la fauna de la Terra?
Després de tot, aquesta és una substància realment única! Cap altra substància pot presumir d'un conjunt de propietats inherents a l'aigua.
L'aigua és el principal dissolvent de la natura. Totes les reaccions que es produeixen en els organismes vius, d'una manera o altra, es produeixen en el medi aquàtic. És a dir, les substàncies entren en reaccions mentre estan en estat dissolt.
L'aigua té una capacitat calorífica excel·lent, però una conductivitat tèrmica baixa. Gràcies a aquestes propietats, podem utilitzar-lo com a transport de calor. Aquest principi s'inclou en el mecanisme de refredament d'un gran nombre d'organismes. A la indústria nuclear, les propietats de la molècula d'aigua van donar lloc a l'ús d'aquesta substància com a refrigerant. A més de la possibilitat de ser un medi reactiu per a altres substàncies, la mateixa aigua pot entrar en reaccions: fotòlisi, hidratació i altres.
L'aigua pura natural és un líquid inodor, incolor i insípid. Però amb un gruix de capa superior a 2 metres, el color es torna blavós.
Tota la molècula d'aigua és un dipol (dos pols oposats). És l'estructura del dipoldetermina principalment les propietats inusuals d'aquesta substància. La molècula d'aigua és un diamagnet.
L'aigua metàl·lica té una altra propietat interessant: la seva molècula adquireix l'estructura de la proporció àuria i l'estructura de la substància adquireix les proporcions de la secció àuria. Moltes de les propietats de la molècula d'aigua s'han establert mitjançant l'anàlisi de l'absorció i emissió d'espectres ratllats en la fase gasosa.
Ciència i propietats moleculars
Totes les substàncies, excepte les químiques, tenen les propietats físiques de les molècules que conformen la seva estructura.
En ciència física, el concepte de molècules s'utilitza per explicar les propietats dels sòlids, líquids i gasos. La capacitat de difusió de totes les substàncies, la seva viscositat, conductivitat tèrmica i altres propietats estan determinades per la mobilitat de les molècules. Quan el físic francès Jean Perrin estava estudiant el moviment brownià, va demostrar experimentalment l'existència de molècules. Tots els organismes vius existeixen a causa d'una interacció interna finament equilibrada en l'estructura. Totes les propietats físiques i químiques de les substàncies són d'importància fonamental per a les ciències naturals. El desenvolupament de la física, la química, la biologia i la física molecular va donar lloc a una ciència com la biologia molecular, que estudia els fenòmens bàsics de la vida.
Utilitzant la termodinàmica estadística, les propietats físiques de les molècules, que es determinen per espectroscòpia molecular, en química física determinen les propietats termodinàmiques de les substàncies necessàries per calcular els equilibris químics i les velocitats del seu establiment.
Quina diferència hi ha entre les propietats dels àtoms i les molècules?
En primer lloc, els àtoms no es troben en estat lliure.
Les molècules tenen espectres òptics més rics. Això es deu a la menor simetria del sistema i a l'aparició de la possibilitat de noves rotacions i oscil·lacions dels nuclis. Per a una molècula, l'energia total consta de tres energies diferents en ordre de magnitud dels components:
- carcassa electrònica (radiació òptica o ultraviolada);
- vibracions dels nuclis (part infraroja de l'espectre);
- rotació de la molècula en conjunt (interval de radiofreqüències).
Els àtoms emeten espectres de línies característics, mentre que les molècules emeten espectres de ratlles formats per moltes línies molt espaiades.
Anàlisi espectral
Les propietats òptiques, elèctriques, magnètiques i altres d'una molècula també estan determinades per la connexió amb les funcions d'ona. Les dades sobre els estats de les molècules i la transició probable entre elles mostren espectres moleculars.
Les transicions (electròniques) de les molècules mostren els enllaços químics i l'estructura de les seves capes d'electrons. Els espectres amb més connexions tenen bandes d'absorció de longitud d'ona llarga que cauen a la regió visible. Si una substància es construeix a partir d'aquestes molècules, té un color característic. Tots aquests són colorants orgànics.
Les propietats de les molècules de la mateixa substància són les mateixes en tots els estats d'agregació. Això vol dir que en les mateixes substàncies, les propietats de les molècules de substàncies líquides i gasoses no difereixen de les propietats del sòlid. La molècula d'una substància sempre té la mateixa estructura, independentment deestat agregat de la matèria en si.
Dades elèctriques
La manera com es comporta una substància en un camp elèctric ve determinada per les característiques elèctriques de les molècules: polarització i moment dipolar permanent.
El moment dipolar és l'asimetria elèctrica d'una molècula. Les molècules que tenen un centre de simetria com H2 no tenen un moment dipolar permanent. La capacitat de la capa d'electrons d'una molècula per moure's sota la influència d'un camp elèctric, com a resultat del qual s'hi forma un moment dipolar induït, és la polarització. Per trobar el valor de la polarització i el moment dipolar, cal mesurar la permitivitat.
El comportament d'una ona de llum en un camp elèctric altern es caracteritza per les propietats òptiques d'una substància, que estan determinades per la polarització d'una molècula d'aquesta substància. Directament relacionats amb la polarització estan: la dispersió, la refracció, l'activitat òptica i altres fenòmens d'òptica molecular.
Sovint s'escolta la pregunta: "De què, a més de les molècules, depenen les propietats d'una substància?" La resposta és bastant senzilla.
Les propietats de les substàncies, excepte la isometria i l'estructura cristal·lina, estan determinades per la temperatura de l'entorn, la substància mateixa, la pressió, la presència d'impureses.
Química de les molècules
Abans de la formació de la ciència de la mecànica quàntica, la naturalesa dels enllaços químics de les molècules era un misteri sense resoldre. La física clàssica explica la direccionalitat ila saturació dels enllaços de valència no podria. Després de la creació de la informació teòrica bàsica sobre l'enllaç químic (1927) utilitzant l'exemple de la molècula H2 més simple, la teoria i els mètodes de càlcul es van començar a millorar gradualment. Per exemple, a partir de l'ús generalitzat del mètode dels orbitals moleculars, la química quàntica, es va fer possible calcular distàncies interatòmiques, l'energia de les molècules i els enllaços químics, la distribució de la densitat electrònica i altres dades que coincidien completament amb les dades experimentals.
Les substàncies amb la mateixa composició, però amb estructura química diferent i propietats diferents, s'anomenen isòmers estructurals. Tenen fórmules estructurals diferents, però les mateixes fórmules moleculars.
Es coneixen diferents tipus d'isomeria estructural. Les diferències es troben en l'estructura de l'esquelet de carboni, la posició del grup funcional o la posició de l'enllaç múltiple. A més, encara hi ha isòmers espacials en què les propietats d'una molècula de substància es caracteritzen per la mateixa composició i estructura química. Per tant, les fórmules estructurals i moleculars són iguals. Les diferències es troben en la forma espacial de la molècula. S'utilitzen fórmules especials per representar diferents isòmers espacials.
Hi ha compostos que s'anomenen homòlegs. Són similars en estructura i propietats, però difereixen en composició per un o més grups CH2. Totes les substàncies similars en estructura i propietats es combinen en sèries homòlogues. Després d'estudiar les propietats d'un homòleg, es pot raonar sobre qualsevol altre. El conjunt d'homòlegs és una sèrie homòloga.
En transformar les estructures de la matèriales propietats químiques de les molècules canvien dràsticament. Fins i tot els compostos més simples serveixen d'exemple: el metà, quan es combina amb un àtom d'oxigen, es converteix en un líquid verinós anomenat metanol (alcohol metílic - CH3OH). En conseqüència, la seva complementarietat química i l'efecte sobre els organismes vius esdevenen diferents. Quan es modifiquen les estructures de les biomolècules, es produeixen canvis similars però més complexos.
Les propietats moleculars químiques depenen molt de l'estructura i les propietats de les molècules: dels enllaços energètics que hi ha i de la geometria de la mateixa molècula. Això és especialment cert en els compostos biològicament actius. Quina reacció competidora serà predominant sovint només està determinada per factors espacials, que al seu torn depenen de les molècules inicials (la seva configuració). Una molècula amb una configuració "incòmoda" no reaccionarà en absolut, mentre que una altra amb la mateixa composició química però una geometria diferent pot reaccionar a l'instant.
Un gran nombre de processos biològics observats durant el creixement i la reproducció estan associats amb les relacions geomètriques entre els productes de la reacció i els materials de partida. Per a la vostra informació: l'acció d'un nombre considerable de nous fàrmacs es basa en una estructura molecular similar d'un compost que és perjudicial des del punt de vista biològic per al cos humà. El fàrmac substitueix la molècula nociva i dificulta l'acció.
Amb l'ajuda de fórmules químiques s'expressen la composició i les propietats de les molècules de diferents substàncies. A partir del pes molecular, l'anàlisi química, s'estableix i es compila la relació atòmicafórmula empírica.
Geometria
La determinació de l'estructura geomètrica d'una molècula es fa tenint en compte la disposició en equilibri dels nuclis atòmics. L'energia d'interacció dels àtoms depèn de la distància entre els nuclis dels àtoms. A distàncies molt grans, aquesta energia és zero. A mesura que els àtoms s'apropen, comença a formar-se un enllaç químic. Aleshores, els àtoms s'atreuen fortament els uns als altres.
Si hi ha una atracció feble, no és necessària la formació d'un enllaç químic. Si els àtoms comencen a apropar-se a distàncies més properes, entre els nuclis comencen a actuar forces repulsives electrostàtiques. Un obstacle per a una forta convergència d'àtoms és la incompatibilitat de les seves capes d'electrons internes.
Talles
És impossible veure molècules a ull nu. Són tan petits que fins i tot un microscopi amb un augment de 1000x no ens ajudarà a veure'ls. Els biòlegs observen bacteris tan petits com 0,001 mm. Però les molècules són centenars i milers de vegades més petites.
Avui, l'estructura de les molècules d'una determinada substància es determina mitjançant mètodes de difracció: difracció de neutrons, anàlisi de difracció de raigs X. També hi ha l'espectroscòpia vibracional i el mètode paramagnètic d'electrons. L'elecció del mètode depèn del tipus de substància i de la seva condició.
La mida d'una molècula és un valor condicional, tenint en compte la capa d'electrons. El punt són les distàncies dels electrons dels nuclis atòmics. Com més grans són, menys probabilitats hi ha de trobar els electrons de la molècula. A la pràctica, la mida de les molècules es pot determinar tenint en compte la distància d'equilibri. Aquest és l'interval durant el qual les mateixes molècules es poden apropar entre si quan estan densament empaquetades en un cristall molecular i en un líquid.
Les grans distàncies tenen molècules per atreure, i les petites, al contrari, per a la repulsió. Per tant, l'anàlisi de difracció de raigs X dels cristalls moleculars ajuda a trobar les dimensions de la molècula. Utilitzant el coeficient de difusió, la conductivitat tèrmica i la viscositat dels gasos, així com la densitat d'una substància en estat condensat, es pot determinar l'ordre de magnitud de les mides moleculars.
