Hvem oppdaget molekylet? Masse og størrelse på molekyler. Det er interessant å vite det

Molekyler med en annen mangfold enn enhet (det vil si med uparrede elektroner og umettede valenser) er radikaler.

Molekyler med relativt høy molekylvekt, bestående av repeterende lavmolekylære fragmenter, kalles makromolekyler.

Fra kvantemekanikkens synspunkt er et molekyl ikke et system av atomer, men av elektroner og atomkjerner som samhandler med hverandre.

De strukturelle egenskapene til molekyler bestemmer de fysiske egenskapene til et stoff som består av disse molekylene.

Stoffer som beholder molekylstruktur i fast tilstand inkluderer for eksempel vann, karbonmonoksid (IV) og mange organiske stoffer. De er preget av lave smelte- og kokepunkter. De fleste faste (krystallinske) uorganiske stoffer består ikke av molekyler, men av andre partikler (ioner, atomer) og eksisterer i form av makrostoffer (natriumkloridkrystall, et stykke kobber osv.).

Sammensetningen av molekylene til komplekse stoffer uttrykkes ved hjelp av kjemiske formler.

Encyklopedisk YouTube

1 / 5

✪ Molekyl. Atom. Substans

✪ Video leksjon "Forklaring av elektriske fenomener"

✪ Atomstruktur. Elektriske fenomener forklart | Fysikk 8. klasse #10 | Info leksjon

✪ Leksjon 151. Gjennomsnittlig kinetisk energi til molekyler av en polyatomisk gass

✪ Hva er et atom?

Undertekster

Historie

På den internasjonale kjemikerkongressen i Karlsruhe i 1860 ble definisjoner av begrepene molekyl og atom vedtatt. Et molekyl har blitt definert som den minste partikkelen av et kjemisk stoff som har alle sine kjemiske egenskaper.

Klassisk teori om kjemisk struktur

I den klassiske teorien om kjemisk struktur regnes et molekyl som den minste stabile partikkel av et stoff som har alle sine kjemiske egenskaper.

Molekylet til et gitt stoff har en konstant sammensetning, det vil si det samme antall atomer forent av kjemiske bindinger, mens den kjemiske individualiteten til molekylet bestemmes nøyaktig av settet og konfigurasjonen av kjemiske bindinger, det vil si valensinteraksjoner mellom atomer inkludert i sammensetningen, som sikrer stabilitet og grunnleggende egenskaper i et ganske bredt spekter av ytre forhold. Ikke-valente interaksjoner (for eksempel hydrogenbindinger), som ofte kan påvirke egenskapene til molekyler og stoffet som dannes av dem betydelig, tas ikke i betraktning som et kriterium for individualiteten til et molekyl.

Den sentrale posisjonen til den klassiske teorien er tilveiebringelsen av en kjemisk binding, mens tilstedeværelsen av ikke bare to-senterbindinger som forener par av atomer er tillatt, men også tilstedeværelsen av multisenter (vanligvis tre-senter, noen ganger fire-senter) bindinger med "bro"-atomer - som for eksempel bro-hydrogenatomer i boraner, blir ikke den kjemiske bindingens natur vurdert i den klassiske teorien - bare integrerte egenskaper som bindingsvinkler, dihedrale vinkler (vinkler mellom plan dannet av tripletter av kjerner), bindingslengder og deres energier tas i betraktning.

Således er et molekyl i klassisk teori representert av et dynamisk system der atomer betraktes som materielle punkter og der atomer og beslektede grupper av atomer kan utføre mekaniske rotasjons- og vibrasjonsbevegelser i forhold til en kjernefysisk likevektskonfigurasjon som tilsvarer minimumsenergien til molekyl og regnes som et system av harmoniske oscillatorer.

Et molekyl består av atomer, eller mer presist, av atomkjerner, omgitt av et visst antall indre elektroner og eksterne valenselektroner som danner kjemiske bindinger. De indre elektronene til atomer deltar vanligvis ikke i dannelsen av kjemiske bindinger. Sammensetningen og strukturen til molekylene til et stoff avhenger ikke av fremstillingsmetoden.

Atomer kobles sammen i et molekyl i de fleste tilfeller gjennom kjemiske bindinger. Vanligvis er en slik binding dannet av ett, to eller tre par elektroner som deles av to atomer, og danner en felles elektronsky, hvis form er beskrevet av typen hybridisering. Et molekyl kan ha positivt og negativt ladede atomer (ioner).

Sammensetningen av et molekyl formidles av kjemiske formler. Den empiriske formelen er etablert på grunnlag av atomforholdet mellom elementene i et stoff og dets molekylmasse.

Den geometriske strukturen til et molekyl bestemmes av likevektsarrangementet til atomkjerner. Energien for interaksjon mellom atomer avhenger av avstanden mellom kjernene. På veldig store avstander er denne energien null. Hvis en kjemisk binding dannes når atomer nærmer seg hverandre, blir atomene sterkt tiltrukket av hverandre (svak tiltrekning observeres selv uten dannelse av en kjemisk binding); med videre tilnærming begynner elektrostatiske frastøtende krefter til atomkjerner å virke. En hindring for den nære tilnærmingen til atomer er også umuligheten av å kombinere deres indre elektronskall.

Hvert atom i en bestemt valenstilstand i et molekyl kan tildeles en bestemt atom- eller kovalent radius (i tilfelle av en ionisk binding, den ioniske radius), som karakteriserer størrelsen på elektronskallet til atomet (ionet) som danner et kjemikalie. binding i molekylet. Størrelsen på elektronskallet til et molekyl er en konvensjonell verdi. Det er en sannsynlighet (om enn veldig liten) for å finne elektronene til et molekyl i større avstand fra atomkjernen. De praktiske dimensjonene til et molekyl bestemmes av likevektsavstanden som de kan bringes sammen til når molekylene er tettpakket i en molekylær krystall og i en væske. På store avstander tiltrekker molekyler hverandre, på kortere avstand frastøter de hverandre. Dimensjonene til et molekyl kan bli funnet ved hjelp av røntgendiffraksjonsanalyse av molekylære krystaller. Størrelsesrekkefølgen til disse dimensjonene kan bestemmes fra diffusjonskoeffisienten, termisk ledningsevne og viskositet til gasser og fra tettheten til stoffet i kondensert tilstand. Avstanden hvor valens-ubundne atomer av samme eller forskjellige molekyler kan nærme seg hverandre kan karakteriseres av gjennomsnittsverdiene til de såkalte van der Waals-radiene (Ǻ).

Van der Waals-radiusen overskrider betydelig den kovalente radiusen. Når du kjenner verdiene til van der Waals, kovalente og ioniske radier, er det mulig å konstruere visuelle modeller av molekyler som vil reflektere formen og størrelsen på deres elektroniske skall.

Kovalente kjemiske bindinger i et molekyl er lokalisert i visse vinkler, som avhenger av hybridiseringstilstanden til atomorbitaler. Således er molekyler av mettede organiske forbindelser karakterisert ved et tetraedrisk (tetraedrisk) arrangement av bindinger dannet av et karbonatom, for molekyler med en dobbeltbinding (C = C) - et flatt arrangement av karbonatomer, for molekyler av forbindelser med en trippel binding (C º C) - et lineært arrangement av bindinger. Dermed har et polyatomisk molekyl en viss konfigurasjon i rommet, det vil si en viss geometri av arrangementet av bindinger, som ikke kan endres uten å bryte dem. Et molekyl er preget av en eller annen symmetri av arrangementet av atomer. Hvis et molekyl ikke har et plan og et symmetrisenter, kan det eksistere i to konfigurasjoner som er speilbilder av hverandre (speilantipoder eller stereoisomerer). Alle de viktigste biologiske funksjonelle stoffene i levende natur eksisterer i form av en spesifikk stereoisomer.

Kvantokjemisk teori om kjemisk struktur

I den kvantekjemiske teorien om kjemisk struktur er hovedparametrene som bestemmer individualiteten til et molekyl dets elektroniske og romlige (stereokjemiske) konfigurasjoner. I dette tilfellet tas konfigurasjonen med den laveste energien, det vil si grunnenergitilstanden, som den elektroniske konfigurasjonen som bestemmer egenskapene til molekylet.

Representasjon av molekylstruktur

Molekyler består av elektroner og atomkjerner, plasseringen av sistnevnte i molekylet formidles av strukturformelen (den såkalte bruttoformelen brukes til å formidle sammensetningen). Molekyler av proteiner og noen kunstig syntetiserte forbindelser kan inneholde hundretusenvis av atomer. Polymer makromolekyler vurderes separat.

Molekyler er gjenstand for studiet av teorien om strukturen til molekyler, kvantekjemi, hvis apparat aktivt bruker prestasjonene til kvantefysikk, inkludert dens relativistiske seksjoner. For tiden utvikles også et slikt område av kjemi som molekylær design. For å bestemme strukturen til molekylene til et bestemt stoff har moderne vitenskap et kolossalt sett med verktøy: elektronspektroskopi, vibrasjonsspektroskopi, kjernemagnetisk resonans og elektronparamagnetisk resonans og mange andre, men de eneste direkte metodene for tiden er diffraksjonsmetoder, som f.eks. som røntgendiffraksjon og nøytrondiffraksjon.

Interaksjon mellom atomer under dannelsen av et molekyl

Naturen til kjemiske bindinger i et molekyl forble et mysterium inntil etableringen av kvantemekanikk - klassisk fysikk kunne ikke forklare metningen og retningen til valensbindinger. Grunnlaget for teorien om kjemiske bindinger ble lagt i 1927 av Heitler og London ved å bruke eksemplet med det enkleste molekylet H2. Senere ble teorien og beregningsmetodene betydelig forbedret.

De kjemiske bindingene i molekylene til de aller fleste organiske forbindelser er kovalente. Blant uorganiske forbindelser er det ioniske og donor-akseptorbindinger, som er realisert som et resultat av deling av et par elektroner i et atom. Energien for dannelse av et molekyl fra atomer i mange serier av lignende forbindelser er omtrent additiv. Det vil si at vi kan anta at energien til et molekyl er summen av energiene til dets bindinger, som har konstante verdier i slike serier.

Additiviteten til molekylær energi er ikke alltid tilfredsstilt. Et eksempel på brudd på additivitet er flate molekyler av organiske forbindelser med såkalte konjugerte bindinger, det vil si med multiple bindinger som veksler med enkeltbindinger. Sterk delokalisering av p-tilstandene til elektroner fører til stabilisering av molekylet. Utjevningen av elektrontettheten på grunn av kollektiviseringen av p-tilstander av elektroner på tvers av bindinger uttrykkes i forkorting av dobbeltbindinger og forlengelse av enkeltbindinger. I en vanlig sekskant av benzen-interkarbonbindinger er alle bindinger identiske og har en lengde mellom lengdene på en enkelt- og dobbeltbinding. Konjugeringen av bindinger er tydelig manifestert i molekylspektre. Den moderne kvantemekaniske teorien om kjemiske bindinger tar hensyn til delokaliseringen av ikke bare p-, men også s-tilstandene til elektroner, som observeres i alle molekyler.

I de aller fleste tilfeller er det totale spinn av valenselektronene i et molekyl null. Molekyler som inneholder uparrede elektroner - frie radikaler (for eksempel atomisk hydrogen H, metyl CH 3) er vanligvis ustabile, siden når de samhandler med hverandre, oppstår en betydelig reduksjon i energi på grunn av dannelsen av kovalente bindinger.

Intermolekylær interaksjon

Spektra og struktur av molekyler

Elektriske, optiske, magnetiske og andre egenskaper til molekyler er relatert til bølgefunksjonene og energiene til ulike tilstander til molekylene. Molekylspektre gir informasjon om tilstandene til molekyler og sannsynligheten for overgang mellom dem.

Vibrasjonsfrekvensene i spektrene bestemmes av massene av atomer, deres plassering og dynamikken i interatomiske interaksjoner. Frekvensene i spektrene avhenger av treghetsmomentene til molekylene, hvis bestemmelse fra spektroskopiske data lar en oppnå nøyaktige verdier av interatomære avstander i molekylet. Det totale antallet linjer og bånd i vibrasjonsspekteret til et molekyl avhenger av dets symmetri.

Elektroniske overganger i molekyler karakteriserer strukturen til deres elektroniske skall og tilstanden til kjemiske bindinger. Spektrene til molekyler som har et større antall bindinger er preget av langbølgede absorpsjonsbånd som faller i det synlige området. Stoffer som er bygget av slike molekyler er preget av farge; Disse stoffene inkluderer alle organiske fargestoffer.

Molekyler i kjemi, fysikk og biologi

Konseptet med et molekyl er grunnleggende for kjemi, og vitenskapen skylder mesteparten av informasjonen om strukturen og funksjonaliteten til molekyler til kjemisk forskning. Kjemi bestemmer strukturen til molekyler basert på kjemiske reaksjoner, og omvendt, basert på strukturen til molekylet, bestemmer reaksjonsforløpet.

Strukturen og egenskapene til et molekyl bestemmer de fysiske fenomenene som studeres av molekylfysikk. I fysikk brukes begrepet et molekyl for å forklare egenskapene til gasser, væsker og faste stoffer. Mobiliteten til molekyler bestemmer evnen til et stoff til å diffundere, dets viskositet, varmeledningsevne osv. Det første direkte eksperimentelle beviset på eksistensen av molekyler ble oppnådd av den franske fysikeren Jean Perrin i 1906 mens han studerte Brownsk bevegelse.

Siden alle levende organismer eksisterer på grunnlag av fint balanserte kjemiske og ikke-kjemiske interaksjoner mellom molekyler, er studiet av strukturen og egenskapene til molekyler av grunnleggende betydning for biologi og naturvitenskap generelt.

Utviklingen av biologi, kjemi og molekylær fysikk førte til fremveksten av molekylærbiologi, som studerer de grunnleggende fenomenene i livet basert på strukturen og egenskapene til biologisk funksjonelle molekyler.

Kan inneholde positivt og negativt ladet, dvs.; i dette tilfellet implementeres. I tillegg til de som er angitt, er det også svakere interaksjoner mellom. Frastøtende krefter virker mellom valens-ubundne bindinger.

Utviklingen av læren om struktur er uløselig forbundet med suksess, først og fremst. Strukturteorien, opprettet på 60-tallet. 1800-tallet verkene til A. M. Butlerov, F. A. Kekule, A. S. Cooper og andre, gjorde det mulig å representere eller ved strukturelle formler som uttrykker sekvensen av valens i. Med samme empiriske formel kan det være ulike strukturer med ulike egenskaper (fenomen). Disse er for eksempel C 5 H 5 OH og (CH 3) 2 O. Disse forbindelsene er forskjellige:

I noen tilfeller forvandles isomere raskt til hverandre og et dynamisk forhold etableres mellom dem (se). Deretter kom J. H. Van't Hoff og uavhengig den franske kjemikeren A. J. Le Bel til en forståelse av den romlige ordningen i og til en forklaring av fenomenet. A. Werner (1893) utvidet de generelle ideene til strukturteorien til å omfatte uorganiske. Ved begynnelsen av det 20. århundre. hadde en detaljert teori basert på studiet av kun deres kjemiske egenskaper. Det er bemerkelsesverdig at direkte fysiske forskningsmetoder, utviklet senere, i det overveldende flertallet av tilfellene fullstendig bekreftet de som ble etablert ved å studere makroskopiske mengder, og ikke individuelle.

Likevekt mellom kjerneavstander r 0 og energier D (ved 25 ° C) av noen diatomiske

	r 0, Ǻ		r 0, Ǻ






				C-Br……………….
Cº C………………		C-I………………
C-H………………..		C-S………………..
C-O………………..		ÅH…………….
C=O………………		N-H………………..
C-N………………..		S-H………………..







			I de aller fleste tilfeller er den totale valensen lik null, dvs. de er parvis mettede. , som inneholder uparrede - (for eksempel atom H · · , metyl CH · · 3) er vanligvis ustabile, fordi når de kombineres med hverandre, oppstår en betydelig reduksjon i energi på grunn av dannelsen av valensbindinger. Den mest effektive metoden for å studere strukturen er (). Elektriske og optiske egenskaper. Atferd i et elektrisk felt bestemmes av de grunnleggende elektriske egenskapene - konstant og . betyr et avvik mellom tyngdepunktene til positive og negative ladninger, dvs. elektrisk asymmetri. Følgelig blir de med et senter, for eksempel H 2, fratatt en konstant; tvert imot, i HCl forskyves de mot Cl og er lik 1,03 D (1,03 × 10 -18 CGS-enheter). karakterisert ved evnen til ethvert elektronskall til å skifte under påvirkning av et elektrisk felt, som et resultat av at et indusert et dannes. Verdiene av og er funnet eksperimentelt ved bruk av dielektriske konstantmålinger. Når det gjelder additivitet av egenskaper, kan det representeres av summen av forbindelser (under hensyntagen til deres retning), det samme gjelder for. Elementer med eller oddetall har nukleær spin paramagnetisme. Slike kjerner er karakterisert

Et stoff kan være i tre aggregeringstilstander: fast, flytende og gassformig. Molekylærfysikk er en gren av fysikk som studerer de fysiske egenskapene til kropper i ulike aggregeringstilstander basert på deres molekylære struktur.

Termisk bevegelse- tilfeldig (kaotisk) bevegelse av atomer eller molekyler av et stoff.

GRUNNLEGGENDE FOR MOLEKYLARKINETISK TEORI

Molekylær kinetisk teori er en teori som forklarer termiske fenomener i makroskopiske legemer og egenskapene til disse kroppene basert på deres molekylære struktur.

Grunnleggende prinsipper for molekylær kinetisk teori:

materie består av partikler - molekyler og atomer, atskilt med mellomrom,
disse partiklene beveger seg kaotisk,
partikler samhandler med hverandre.

MASSE OG STØRRELSER PÅ MOLEKYLER

Massene av molekyler og atomer er svært små. For eksempel er massen til ett hydrogenmolekyl omtrent 3,34 * 10 -27 kg, oksygen - 5,32 * 10 -26 kg. Masse av ett karbonatom m OC = 1,995*10-26 kg

Relativ molekylær (eller atom) masse av et stoff Mr er forholdet mellom massen til et molekyl (eller atom) av et gitt stoff og 1/12 av massen til et karbonatom: (atommasseenhet).

Mengden av et stoff er forholdet mellom antall molekyler N i en gitt kropp og antall atomer i 0,012 kg karbon N A:

Muldvarp- mengden av et stoff som inneholder like mange molekyler som det er atomer i 0,012 kg karbon.

Antall molekyler eller atomer i 1 mol av et stoff kalles Avogadros konstant:

Molar masse- masse av 1 mol stoff:

Den molare og relative molekylmassen til et stoff er relatert av forholdet: M = M r * 10 -3 kg/mol.

HASTIGHET PÅ MOLEKYLER

Til tross for den tilfeldige bevegelsen av molekyler, har deres fordeling av hastigheter karakter av et visst mønster, som kalt Maxwells distribusjon.

Grafen som karakteriserer denne fordelingen kalles Maxwell-fordelingskurven. Den viser at i et system av molekyler ved en gitt temperatur er det veldig raske og veldig sakte, men de fleste av molekylene beveger seg med en viss hastighet, som kalles den mest sannsynlige. Når temperaturen øker, øker denne mest sannsynlige hastigheten.

IDEELL GASS I MOLEKYLARKINETISK TEORI

Ideell gass er en forenklet gassmodell der:

gassmolekyler regnes som materielle punkter,
molekyler interagerer ikke med hverandre
molekyler som kolliderer med hindringer opplever elastiske interaksjoner.

Med andre ord, bevegelsen av individuelle molekyler av en ideell gass adlyder mekanikkens lover. Ekte gasser oppfører seg som ideelle gasser ved tilstrekkelig høy sjeldenhet, når avstandene mellom molekylene er mange ganger større enn størrelsene deres.

Den grunnleggende ligningen for molekylær kinetisk teori kan skrives som

Hastighet kalt gjennomsnittlig kvadrathastighet.

TEMPERATUR

Enhver makroskopisk kropp eller gruppe av makroskopiske kropper kalles termodynamisk system.

Termisk eller termodynamisk likevekt- en tilstand av et termodynamisk system der alle dets makroskopiske parametere forblir uendret: volum, trykk endres ikke, varmeveksling forekommer ikke, det er ingen overganger fra en aggregeringstilstand til en annen, etc. Under konstante ytre forhold går ethvert termodynamisk system spontant inn i en tilstand av termisk likevekt.

Temperatur- en fysisk størrelse som karakteriserer tilstanden til termisk likevekt til et system av legemer: alle legemer i systemet som er i termisk likevekt med hverandre har samme temperatur.

Absolutt null temperatur- grensetemperaturen der trykket til en ideell gass ved konstant volum må være lik null eller volumet til en ideell gass ved konstant trykk må være lik null.

Termometer- en enhet for temperaturmåling. Vanligvis er termometre kalibrert på Celsius-skalaen: krystalliseringstemperaturen til vann (issmelting) tilsvarer 0 °C, dets kokepunkt - 100 °C.

Kelvin introduserte den absolutte temperaturskalaen, ifølge hvilken nulltemperatur tilsvarer absolutt null, temperaturenheten på Kelvin-skalaen er lik graden Celsius: [T] = 1 K(Kelvin).

Sammenheng mellom temperatur i energienheter og temperatur i Kelvin:

Hvor k= 1,38*10 -23 J/K - Boltzmanns konstant.

Forholdet mellom den absolutte skalaen og Celsius-skalaen:

T = t + 273

Hvor t- temperatur i grader Celsius.

Den gjennomsnittlige kinetiske energien til den kaotiske bevegelsen til gassmolekyler er proporsjonal med den absolutte temperaturen:

Gjennomsnittlig kvadrathastighet for molekyler

Med hensyn til likhet (1), kan den grunnleggende ligningen for molekylær kinetisk teori skrives som følger:

LIGNING AV TILSTAND TIL EN IDEELL GASS

La en gass med masse m oppta et volum V ved en temperatur T og trykk R, A M- molar masse av gassen. Per definisjon er konsentrasjonen av gassmolekyler: n = N/V, Hvor N-antall molekyler.

La oss erstatte dette uttrykket i den grunnleggende ligningen for molekylær kinetisk teori:

Størrelse R kalles den universelle gasskonstanten, og ligningen skrevet på formen

kalt den ideelle gassligningen for tilstand eller Mendeleev-Clapeyron-ligningen. Normale forhold - gasstrykk er lik atmosfærisk ( R= 101.325 kPa) ved issmeltetemperatur ( T = 273,15TIL).

1. Isoterm prosess

Prosessen med å endre tilstanden til et termodynamisk system ved en konstant temperatur kalles isotermisk.

Hvis T =konst, da

Boyle-Mariotte lov

For en gitt masse gass er produktet av gasstrykket og volumet konstant hvis gasstemperaturen ikke endres: p 1 V 1 = p 2 V 2 på T = konst

En graf over en prosess som skjer ved en konstant temperatur kalles en isoterm.

2. Isobarisk prosess

Prosessen med å endre tilstanden til et termodynamisk system ved konstant trykk kalles isobarisk.

Gay-Lussacs lov

Volumet av en gitt gassmasse ved konstant trykk er direkte proporsjonal med den absolutte temperaturen:

Hvis en gass, som har et volum V 0, er under normale forhold: og deretter, ved konstant trykk, går inn i en tilstand med temperatur T og volum V, så kan vi skrive

Etter å ha utpekt

vi får V=V 0 T

Koeffisienten kalles temperaturkoeffisienten for volumetrisk ekspansjon av gasser. Grafen for en prosess som skjer ved konstant trykk kalles isobar.

3.Isokorisk prosess

Prosessen med å endre tilstanden til et termodynamisk system ved et konstant volum kalles isokorisk. Hvis V = konst, Det

Charles's lov

Trykket til en gitt gassmasse ved konstant volum er direkte proporsjonal med den absolutte temperaturen:

Hvis en gass med et volum V 0 er under normale forhold:

og deretter, opprettholde volumet, går inn i en tilstand med temperatur T og trykk R, så kan vi skrive

Grafen for en prosess som skjer ved konstant volum kalles isokore.

Eksempel. Hva er trykket til trykkluft i en 20 liters sylinder ved 12°C hvis massen til denne luften er 2 kg?

Fra tilstandsligningen til en ideell gass

La oss bestemme trykkverdien.

Et molekyl (fransk molekyl, fra latin mol - masse) er den minste partikkelen av et stoff som er i stand til uavhengig eksistens, og har sine kjemiske egenskaper.

Studiet av strukturen og egenskapene til molekyler har fått eksepsjonell interesse for å forstå den submikroskopiske strukturen til celler og vev, så vel som mekanismen til biologiske prosesser på molekylært nivå. Store fremskritt i studiet av strukturen til molekyler og spesielt molekylene til biopolymerer som proteiner og nukleinsyrer har vist at de viktigste funksjonene til disse stoffene i organismer utføres på nivå med individuelle molekyler og derfor bør studert som molekylære fenomener. Det er for eksempel fastslått at funksjoner til proteiner som enzymatiske, strukturelle, kontraktile, immune, transport (reversibel binding og overføring av vitale stoffer) skjer på molekylært nivå og er direkte bestemt av strukturen og egenskapene til molekylene til disse stoffene. Arvelighet og variasjon av organismer er assosiert med den spesielle strukturen og egenskapene til nukleinsyremolekyler, som inneholder all den genetiske informasjonen som er nødvendig for syntesen av proteiner i kroppen. Små avvik i strukturen eller sammensetningen av molekylene til en rekke biologisk viktige stoffer eller endringer i den molekylære mekanismen til visse metabolske prosesser er årsaken til en rekke sykdommer (for eksempel sigdcelleanemi, arvelig galaktosemi, diabetes mellitus, etc. .), kalt molekylære sykdommer.

Molekylet til hvert stoff består av et visst antall atomer (se) av ett kjemisk element (enkelt stoff) eller forskjellige elementer (komplekst stoff), forent gjennom kjemiske (valens) bindinger. Sammensetningen av et molekyl uttrykkes med en kjemisk formel der elementenes tegn indikerer hvilken type atomer som danner molekylet, og tallene nederst til høyre indikerer hvor mange atomer av hvert grunnstoff som er inkludert i molekylet. Fra den kjemiske formelen til glukose C 6 H 12 O 6 følger det at et glukosemolekyl består av 6 karbonatomer, 12 hydrogenatomer og 6 oksygenatomer. Molekylene av inerte gasser og damper av noen metaller er monoatomiske. Dette er de enkleste molekylene. De mest komplekse molekylene er proteiner (se), nukleinsyrer (se) og andre biopolymerer, bestående av mange tusen atomer.

For å finne den kjemiske formelen til et molekyl, er det nødvendig å bestemme den omtrentlige molekylvekten (cm) til stoffet som studeres og den enkleste (empiriske) formelen til molekylet. Sistnevnte er avledet fra den prosentvise sammensetningen av et gitt stoff og atomvektene (se) av de kjemiske elementene som utgjør dette stoffet. For eksempel har kjemisk analyse fastslått at benzen består av 92,26 % karbon og 7,74 % hydrogen. Det følger at forholdet mellom antall karbonatomer og antall hydrogenatomer i et benzenmolekyl er lik:

hvor 12.011 og 1.008 er atomvektene til henholdsvis karbon og hydrogen. Derfor bør den enkleste formelen for benzen være CH. Ved å sammenligne den enkleste formelen for benzen med dens omtrentlige molekylvekt (78,1), funnet eksperimentelt, bestemmes dens faktiske eller sanne formel C 6 H 6.

Størrelsen på molekylene er uttrykt i A. For eksempel er diameteren til et vannmolekyl, forutsatt at det har en sfærisk form, 3,8 A. Molekyler av høymolekylære stoffer er mye større, for eksempel de lineære dimensjonene til den store og små akser av de stavformede molekylene av bovint fibrinogen er 700 og 40 A, og for tobakksmosaikkvirus - henholdsvis 2800 og 152 A. Et mål på den relative massen til et molekyl er molekylvekt (cm), hvis verdi varierer fra flere enheter til millioner.

Rekkefølgen der atomer er koblet sammen i et molekyl (den kjemiske strukturen til molekyler ifølge A.M. Butlerov) er avbildet med såkalte strukturformler. For eksempel er den kjemiske strukturen til eddiksyre C 2 H 4 O 2 representert av følgende strukturformel:

der hver linje angir en valensenhet (cm), er antallet linjer som nærmer seg et atom lik valensen i en gitt forbindelse.

Den kjemiske strukturen til et molekyl, funnet på grunnlag av bestemmelse av molekylvekt, kjemisk sammensetning og studiet av de kjemiske egenskapene til stoffet som studeres og til slutt bekreftet av dets syntese fra stoffer hvis kjemiske struktur er kjent, er en viktig faktor bestemme egenskapene til stoffet, spesielt dets farmakologiske virkning, toksisitet og biologiske funksjoner. Forskjellen i egenskapene til isomerer (se Isomerisme ) er et eksempel på avhengigheten av egenskapene til stoffer av den kjemiske strukturen til molekylene deres. Atomsammensetningen til molekylene til isomerer er den samme, for eksempel dimetyleter og etylalkohol, som er isomerer, har de samme kjemiske formlene C 2 H 6 O, men deres strukturelle formler er forskjellige:

som forklarer deres forskjellige egenskaper.

Evnen til et atom til å danne et visst antall kjemiske bindinger med andre atomer i molekyler kalles valensen til et gitt atom. Når en kjemisk (valens) binding dannes, oppstår en omorganisering av de ytre (valens) elektronene til de interagerende atomene, som et resultat av at de ytre elektronskallene til atomene i molekylet får en stabil struktur som er karakteristisk for atomer av inerte gasser. (se) og består vanligvis av åtte elektroner (elektronisk oktett). Avhengig av metoden for omorganisering av valenselektroner, skilles flere hovedtyper av kjemiske bindinger.

Ioniske (elektrovalente) bindinger oppstår mellom atomer av grunnstoffer som er svært forskjellige i kjemiske egenskaper, for eksempel mellom alkalimetallatomer og halogenatomer. I dette tilfellet gir metallatomet fra seg et elektron til halogenatomet (fig. 1).

Ris. 1. Dannelse av et natriumkloridmolekyl.

Et atom som donerer et elektron blir et positivt ladet ion. Et atom som aksepterer et elektron blir et negativt ladet ion. Motsatt ladede ioner som oppstår på denne måten tiltrekker hverandre og danner et molekyl. Molekyler og forbindelser med ioniske bindinger (for eksempel salter og oksider av metaller fra den første og andre gruppen i det periodiske systemet av elementer) kalles heteropolare. En ionisk binding er preget av høy styrke (bindingsenergi), det vil si arbeidet som kreves for å bryte molekylet til individuelle ioner.

En kovalent (atomisk) binding oppstår når atomer med identiske eller lignende egenskaper samhandler. I dette tilfellet gir hvert av forbindelsesatomene fra seg ett eller flere valenselektroner for å danne et par (eller flere elektronpar), som blir felles for begge atomene. Et generalisert elektronpar, som omslutter kjernene til forbindende atomer i deres bevegelse, holder dem nær hverandre. Molekyler med kovalente bindinger inkluderer molekyler av enkle gasser, oksider og hydrogenforbindelser, ikke-metaller og mange organiske forbindelser:

Prikkene indikerer elektroner plassert på de ytre elektronskallene til atomer, og de kjemiske symbolene indikerer atomkjernene med alle elektronskall bortsett fra de ytre. Elektronparet som binder atomer tilsvarer valenstrekket i vanlige strukturformler.

Molekyler der de elektriske tyngdepunktene til negative (elektroner) og positive (atomkjerner) ladninger faller sammen kalles homeopolare. Disse inkluderer for eksempel molekyler av enkle gasser og hydrokarboner. Hvis de elektriske tyngdepunktene til negative og positive ladninger i molekyler ikke faller sammen, kalles molekylene polare (for eksempel molekyler av vann, ammoniakk, hydrogenhalogenider, alkoholer, ketoner, aldehyder, etere). Et polart molekyl oppfører seg som en dipol, det vil si et system med to elektriske ladninger e+ og e-, like store, men motsatt i fortegn, plassert i en avstand h fra hverandre (fig. 2).

Ris. 2. Dipoldiagram.

Produktet e·h=μ kalles dipolmomentet til molekylet. Sistnevnte er et mål på polariteten til molekylet. Stoffer som består av polare molekyler har høyere kokepunkter, spesifikke varme, fordampningsvarme og overflatespenning enn stoffer som består av homeopolare molekyler. Samspillet mellom polare molekyler er en av årsakene til assosiasjonen av molekyler i væsker, og samspillet mellom polare løsemiddelmolekyler med polare molekyler eller oppløste ioner er oppløsningen av sistnevnte. Diffusjonshastigheten av polare molekyler gjennom cellemembranen er mindre enn for homeopolare molekyler.

En koordinasjons (semipolar, donor-akseptor) binding er en type kovalent binding som oppstår mellom atomer som er en del av forskjellige molekyler, hvorav det ene har et enkelt elektronpar, og det andre mangler to elektroner for å danne et stabilt ytre elektronskall . Denne typen tilkobling er typisk for komplekse forbindelser. For eksempel, kombinasjonen av et ammoniakkmolekyl NH 3 med et molekyl av borfluorid BF3 til et komplekst molekyl av borfluorid ammoniakk utføres av et ensomt par nitrogenelektroner

Nitrogenatomet fungerer som en donor, boratomet som en elektronparakseptor.

En hydrogenbinding oppstår mellom et hydrogenatom kovalent bundet til et F-, O- eller N-atom og F-, O- eller N-atomer lokalisert i andre molekyler. Styrken på hydrogenbindingen er lav (5-10 kcal/mol), men er tilstrekkelig for dannelse av molekylære assosiasjoner i væsker og løsninger. I vann, for eksempel, har slike assosiasjoner følgende struktur (hydrogenbindinger er indikert med stiplede linjer):

Hydrogenbindinger oppstår ikke bare mellom molekyler, men også mellom atomer innenfor samme molekyl; Dette er såkalte intramolekylære hydrogenbindinger (hydrogenbroer). Et eksempel på en slik binding er hydrogenbindingen mellom hydrogenatomet og oksygenatomet i o-metylsalisylatmolekylet:

På grunn av tilstedeværelsen av denne bindingen skiller egenskapene til o-metylsalisylat seg kraftig fra egenskapene til m- og n-isomerene. Tilstedeværelsen av hydrogenbroer i molekylene av nukleinsyrer, proteiner og andre polymerer bestemmer i stor grad labiliteten til disse molekylene. Hydrogenbindinger spiller en betydelig rolle i den submikroskopiske strukturen til protoplasma.

Ved hjelp av røntgen-, elektron- og nøytrondiffraksjon, molekylær spektroskopi og kjernemagnetisk resonans var det mulig å etablere det romlige arrangementet av individuelle atomer i et molekyl, det vil si den geometriske konfigurasjonen av molekylene til en rekke stoffer , inkludert molekyler av biologisk viktige stoffer.

Definisjonen av den romlige konfigurasjonen av molekyler består av definisjonen av det såkalte skjelettet til et molekyl, dvs. det romlige arrangementet av kjernene til atomene som danner det, og fordelingen av elektroner innenfor et gitt molekyl.

Kjernen til molekylet er funnet basert på data om bindingslengden og bindingsvinklene bestemt ved hjelp av metodene ovenfor. Bindingslengde er avstanden mellom sentrene til to atomer i et molekyl forbundet med hverandre med en kovalent binding. Den mindre vinkelen som dannes av rette linjer som forbinder sentrene til to atomer A 1 og A 2 med sentrum av det tredje atomet A 3 i et gitt molekyl kalles bindingsvinkelen. Kjernen i molekylet er ikke helt stiv. For eksempel, i molekyler av organiske forbindelser, kan karbonatomer rotere rundt enkle (enkle) bindinger, mens den relative posisjonen til kjernene endres, men sekvensen av forbindelsene til atomene i molekylet, lengden på bindingene og bindingsvinklene forblir konstante . Disse forskjellige formene for molekyler som er et resultat av rotasjonen av et karbonatom rundt en enkeltbinding kalles konformasjoner. Ulike konformasjoner av samme molekyl transformeres lett og reversibelt til hverandre, noe som forklarer fraværet av rotasjonsisomerer og overgangen av molekyler til den formen som er best egnet for forekomsten av en bestemt reaksjon.

Fordelingen av elektroner i molekyler finner man hovedsakelig ved hjelp av teoretiske beregninger, som er basert på to grunnleggende prinsipper for kvantekjemi. Den første av dem sier at elektroner i atomer og molekyler bare kan lokaliseres på diskrete og fullstendig definerte energinivåer. I følge det andre prinsippet kan ikke elektroner i atomer og molekyler betraktes som punktpartikler, hvis posisjon og hastighet i et molekyl (eller atom) kan bestemmes nøyaktig for hvert øyeblikk. I virkeligheten, som kvantemekanikken lærer, kan du bare bestemme sannsynligheten for at et elektron befinner seg i noen områder av rommet på et gitt tidspunkt. Derfor kan man forestille seg at ladningen til et elektron så å si er "spredt ut" i et bestemt område av rommet i form av en elektronsky, hvis fordeling i rommet bestemmes av den tilsvarende matematiske funksjonen (kalt kalt bølgefunksjonen til elektronet eller dets molekylære orbital (eller atomorbital, hvis fordelingen er bestemt i et atom) .

Det ble vist at ikke alle elektronene i et molekyl er like viktige for dets kjemiske egenskaper. For eksempel, i et molekyl med et stort antall dobbeltbindinger, som inkluderer det store flertallet av forbindelser som spiller en dominerende rolle i vitale prosesser, kan elektroner deles inn i to typer. Den første typen inkluderer σ-elektroner involvert i dannelsen av enkeltbindinger, den andre typen inkluderer p-elektroner involvert i dannelsen av dobbeltbindinger. Førstnevnte danner et stivt skjelett av molekylet og er lokalisert i par mellom naboatomer. Sistnevnte danner en mye mer diffus sky som dekker hele periferien av molekylet. I slike molekyler skyldes alle deres grunnleggende egenskaper p-elektroner, som er mer labile sammenlignet med σ-elektroner og derfor lettere kan delta i ulike typer prosesser.

Hver dag bruker vi noen gjenstander: vi tar dem i hendene, utfører manipulasjoner på dem - snu dem, undersøker dem og bryter dem til slutt. Har du noen gang tenkt på hva disse gjenstandene er laget av? "Hva kan vi tenke på her? Laget av metall/tre/plast/stoff!" – mange av oss vil svare forvirret. Dette er delvis det riktige svaret. Hva er disse materialene laget av - metall, tre, plast, stoff og mange andre stoffer? I dag skal vi diskutere dette problemet.

Molekyl og atom: definisjon

For en kunnskapsrik person er svaret enkelt og banalt: fra atomer og molekyler. Men noen mennesker blir forvirret og begynner å stille spørsmål: "Hva er et atom og et molekyl? Hvordan ser de ut?" etc. La oss svare på disse spørsmålene i rekkefølge. Vel, først av alt, hva er et atom og et molekyl? La oss fortelle deg med en gang at disse definisjonene ikke er det samme. Og enda mer enn det, dette er helt andre begreper. Så et atom er den minste delen av et kjemisk element, som er bæreren av dets egenskaper, en partikkel av stoff med liten masse og størrelse. Et molekyl er en elektrisk nøytral partikkel som er dannet av flere sammenkoblede atomer.

Hva er et atom: struktur

Et atom består av et elektronskall og (foto). På sin side består kjernen av protoner og nøytroner, og skallet består av elektroner. I et atom er protoner positivt ladet, elektroner er negativt ladet, og nøytroner er ikke ladet i det hele tatt. Hvis antallet protoner tilsvarer, så er atomet elektrisk nøytralt, dvs. Hvis vi berører et stoff som er dannet av molekyler med slike atomer, vil vi ikke føle den minste elektriske impuls. Og selv superkraftige datamaskiner vil ikke fange det på grunn av fraværet av sistnevnte. Men det hender at det er flere protoner enn elektroner, og omvendt. Da ville det vært riktigere å kalle slike atomer ioner. Hvis det er flere protoner i den, så er den elektrisk positiv, men hvis elektroner dominerer, er den elektrisk negativ. Hvert spesifikt atom har et strengt antall protoner, nøytroner og elektroner. Og det kan beregnes. En mal for å løse problemer med å finne antallet av disse partiklene ser slik ut:

Chem. element - R (sett inn elementnavn)
Protoner (p) - ?
Elektroner (e) - ?
Nøytroner (n) - ?
Løsning:
p = kjemikaliets serienummer. element R i det periodiske system oppkalt etter D.I. Mendeleev
e = p
n = A r (R) - Nei. R

Hva er et molekyl: struktur

Et molekyl er den minste partikkelen av et kjemisk stoff, det vil si at det allerede er direkte inkludert i sammensetningen. Et molekyl av et bestemt stoff består av flere identiske eller forskjellige atomer. De strukturelle egenskapene til molekyler avhenger av de fysiske egenskapene til stoffet de er tilstede i. Molekyler er bygd opp av elektroner og atomer. Plasseringen av sistnevnte kan bli funnet ved hjelp av strukturformelen. lar deg bestemme fremdriften til en kjemisk reaksjon. De er vanligvis nøytrale (har ingen elektrisk ladning) og har ingen uparrede elektroner (alle valenser er mettede). Imidlertid kan de også lades, i så fall er deres riktige navn ioner. Molekyler kan også ha uparrede elektroner og umettede valenser - i dette tilfellet kalles de radikaler.

Konklusjon

Nå vet du hva et atom er, og alle stoffer, uten unntak, er sammensatt av molekyler, og sistnevnte er på sin side bygget av atomer. De fysiske egenskapene til et stoff bestemmer arrangementet og forbindelsen av atomer og molekyler i det.