Tutti i corpi che ci circondano sono fatti di atomi. Gli atomi, a loro volta, si assemblano in una molecola. È per la differenza nella struttura molecolare che si può parlare di sostanze diverse tra loro, in base alle loro proprietà e parametri. Molecole e atomi sono sempre in uno stato dinamico. Muovendosi, non si disperdono ancora in direzioni diverse, ma sono trattenuti in una certa struttura, che dobbiamo all'esistenza di una così grande varietà di sostanze nel mondo intero che ci circonda. Cosa sono queste particelle e quali sono le loro proprietà?
Concetti generali
Se partiamo dalla teoria della meccanica quantistica, allora la molecola non è costituita da atomi, ma dai loro nuclei ed elettroni, che interagiscono costantemente tra loro.
Per alcune sostanze, una molecola è la particella più piccola che ha la composizione e le proprietà chimiche della sostanza stessa. Quindi, le proprietà delle molecole dal punto di vista della chimica sono determinate dalla sua struttura chimica ecomposizione. Ma solo per le sostanze a struttura molecolare, la regola funziona: le proprietà chimiche delle sostanze e delle molecole sono le stesse. Per alcuni polimeri, come etilene e polietilene, la composizione non corrisponde alla composizione molecolare.
È noto che le proprietà delle molecole sono determinate non solo dal numero di atomi, dal loro tipo, ma anche dalla configurazione, dall'ordine di connessione. Una molecola è una struttura architettonica complessa, in cui ogni elemento sta al suo posto e ha i suoi vicini specifici. La struttura atomica può essere più o meno rigida. Ogni atomo vibra intorno alla sua posizione di equilibrio.
Configurazione e parametri
Succede che alcune parti della molecola ruotano rispetto ad altre parti. Quindi, nel processo di moto termico, una molecola libera assume forme (configurazioni) bizzarre.
Fondamentalmente, le proprietà delle molecole sono determinate dal legame (il suo tipo) tra gli atomi e l'architettura della molecola stessa (struttura, forma). Quindi, prima di tutto, la teoria chimica generale considera i legami chimici e si basa sulle proprietà degli atomi.
Con una forte polarità, le proprietà delle molecole sono difficili da descrivere con correlazioni a due o tre costanti, che sono eccellenti per le molecole non polari. Pertanto, è stato introdotto un parametro aggiuntivo con un momento di dipolo. Ma questo metodo non ha sempre successo, poiché le molecole polari hanno caratteristiche individuali. Sono stati anche proposti parametri per tenere conto degli effetti quantistici, che sono importanti alle basse temperature.
Cosa sappiamo della molecola della sostanza più comune sulla Terra?
Di tutte le sostanze sul nostro pianeta, la più comune è l'acqua. In senso letterale, fornisce la vita a tutto ciò che esiste sulla Terra. Solo i virus possono farne a meno, il resto delle strutture viventi nella loro composizione ha per la maggior parte acqua. Quali proprietà della molecola d'acqua, caratteristica solo di essa, sono utilizzate nella vita economica dell'uomo e nella fauna della Terra?
Dopotutto, questa è una sostanza davvero unica! Nessun' altra sostanza può vantare un insieme di proprietà inerenti all'acqua.
L'acqua è il principale solvente in natura. Tutte le reazioni che si verificano negli organismi viventi, in un modo o nell' altro, si verificano nell'ambiente acquatico. Cioè, le sostanze entrano in reazioni mentre sono in uno stato disciolto.
L'acqua ha un'eccellente capacità termica, ma una bassa conduttività termica. Grazie a queste proprietà, possiamo usarlo come mezzo di trasporto del calore. Questo principio è incluso nel meccanismo di raffreddamento di un gran numero di organismi. Nell'industria nucleare, le proprietà della molecola d'acqua hanno dato origine all'uso di questa sostanza come refrigerante. Oltre alla possibilità di essere un mezzo reattivo per altre sostanze, l'acqua stessa può entrare in reazioni: fotolisi, idratazione e altre.
L'acqua pura naturale è un liquido inodore, incolore e insapore. Ma con uno spessore dello strato superiore a 2 metri, il colore diventa bluastro.
L'intera molecola d'acqua è un dipolo (due poli opposti). È la struttura del dipolo indetermina principalmente le proprietà insolite di questa sostanza. La molecola d'acqua è un diamagnete.
L'acqua metallica ha un' altra proprietà interessante: la sua molecola acquisisce la struttura della sezione aurea e la struttura della sostanza acquisisce le proporzioni della sezione aurea. Molte delle proprietà della molecola d'acqua sono state stabilite analizzando l'assorbimento e l'emissione di spettri a strisce nella fase gassosa.
Scienza e proprietà molecolari
Tutte le sostanze, eccetto quelle chimiche, hanno le proprietà fisiche delle molecole che ne costituiscono la struttura.
Nelle scienze fisiche, il concetto di molecole viene utilizzato per spiegare le proprietà di solidi, liquidi e gas. La capacità di tutte le sostanze di diffondersi, la loro viscosità, conducibilità termica e altre proprietà sono determinate dalla mobilità delle molecole. Quando il fisico francese Jean Perrin stava studiando il moto browniano, ha dimostrato sperimentalmente l'esistenza delle molecole. Tutti gli organismi viventi esistono a causa di un'interazione interna finemente bilanciata nella struttura. Tutte le proprietà chimiche e fisiche delle sostanze sono di fondamentale importanza per le scienze naturali. Lo sviluppo della fisica, della chimica, della biologia e della fisica molecolare ha dato origine a una scienza come la biologia molecolare, che studia i fenomeni di base della vita.
Utilizzando la termodinamica statistica, le proprietà fisiche delle molecole, che sono determinate dalla spettroscopia molecolare, in chimica fisica determinano le proprietà termodinamiche delle sostanze necessarie per calcolare gli equilibri chimici e le velocità della sua costituzione.
Qual è la differenza tra le proprietà degli atomi e delle molecole?
Prima di tutto, gli atomi non si trovano nello stato libero.
Le molecole hanno spettri ottici più ricchi. Ciò è dovuto alla minore simmetria del sistema e all'emergere della possibilità di nuove rotazioni e oscillazioni dei nuclei. Per una molecola, l'energia totale è composta da tre energie diverse in ordine di grandezza dei componenti:
- shell elettronico (radiazioni ottiche o ultraviolette);
- vibrazioni dei nuclei (parte infrarossa dello spettro);
- rotazione della molecola nel suo insieme (gamma di radiofrequenza).
Gli atomi emettono spettri lineari caratteristici, mentre le molecole emettono spettri a strisce costituiti da molte linee ravvicinate.
Analisi spettrale
Anche le proprietà ottiche, elettriche, magnetiche e di altro tipo di una molecola sono determinate dalla connessione con le funzioni d'onda. I dati sugli stati delle molecole e la probabile transizione tra di loro mostrano spettri molecolari.
Le transizioni (elettroniche) nelle molecole mostrano legami chimici e la struttura dei loro gusci di elettroni. Gli spettri con più connessioni hanno bande di assorbimento a lunghezza d'onda lunga che cadono nella regione del visibile. Se una sostanza è costituita da tali molecole, ha un colore caratteristico. Questi sono tutti coloranti organici.
Le proprietà delle molecole della stessa sostanza sono le stesse in tutti gli stati di aggregazione. Ciò significa che nelle stesse sostanze, le proprietà delle molecole di sostanze liquide e gassose non differiscono dalle proprietà del solido. La molecola di una sostanza ha sempre la stessa struttura, a prescindere dastato aggregato della materia stessa.
Dati elettrici
Il modo in cui una sostanza si comporta in un campo elettrico è determinato dalle caratteristiche elettriche delle molecole: polarizzabilità e momento di dipolo permanente.
Il momento di dipolo è l'asimmetria elettrica di una molecola. Le molecole che hanno un centro di simmetria come H2 non hanno un momento di dipolo permanente. La capacità del guscio elettronico di una molecola di muoversi sotto l'influenza di un campo elettrico, a seguito del quale si forma un momento di dipolo indotto in esso, è la polarizzabilità. Per trovare il valore di polarizzabilità e momento di dipolo, è necessario misurare la permittività.
Il comportamento di un'onda luminosa in un campo elettrico alternato è caratterizzato dalle proprietà ottiche di una sostanza, che sono determinate dalla polarizzabilità di una molecola di questa sostanza. Direttamente correlati alla polarizzabilità sono: scattering, rifrazione, attività ottica e altri fenomeni dell'ottica molecolare.
Si sente spesso la domanda: "Da cosa dipendono, oltre alle molecole, le proprietà di una sostanza?" La risposta è abbastanza semplice.
Le proprietà delle sostanze, ad eccezione dell'isometria e della struttura cristallina, sono determinate dalla temperatura dell'ambiente, dalla sostanza stessa, dalla pressione, dalla presenza di impurità.
Chimica delle molecole
Prima della formazione della scienza della meccanica quantistica, la natura dei legami chimici nelle molecole era un mistero irrisolto. La fisica classica spiega la direzionalità ela saturazione dei legami di valenza non potrebbe. Dopo la creazione delle informazioni teoriche di base sul legame chimico (1927) utilizzando l'esempio della più semplice molecola di H2, la teoria ei metodi di calcolo iniziarono a essere gradualmente migliorati. Ad esempio, sulla base dell'uso diffuso del metodo degli orbitali molecolari, della chimica quantistica, è diventato possibile calcolare le distanze interatomiche, l'energia delle molecole e dei legami chimici, la distribuzione della densità elettronica e altri dati che coincidevano completamente con i dati sperimentali.
Le sostanze con la stessa composizione, ma diversa struttura chimica e diverse proprietà, sono chiamate isomeri strutturali. Hanno formule strutturali diverse, ma le stesse formule molecolari.
Sono noti diversi tipi di isomeria strutturale. Le differenze risiedono nella struttura dello scheletro di carbonio, nella posizione del gruppo funzionale o nella posizione del legame multiplo. Inoltre, esistono ancora isomeri spaziali in cui le proprietà di una molecola di sostanza sono caratterizzate dalla stessa composizione e struttura chimica. Pertanto, sia le formule strutturali che quelle molecolari sono le stesse. Le differenze risiedono nella forma spaziale della molecola. Formule speciali vengono utilizzate per rappresentare diversi isomeri spaziali.
Ci sono composti chiamati omologhi. Sono simili per struttura e proprietà, ma differiscono nella composizione di uno o più gruppi CH2. Tutte le sostanze simili per struttura e proprietà sono combinate in serie omologhe. Dopo aver studiato le proprietà di un omologo, si può ragionare su qualsiasi altro. L'insieme degli omologhi è una serie omologa.
Quando si trasformano le strutture della materiale proprietà chimiche delle molecole cambiano drasticamente. Anche i composti più semplici servono da esempio: il metano, quando combinato con anche un solo atomo di ossigeno, diventa un liquido velenoso chiamato metanolo (alcol metilico - CH3OH). Di conseguenza, la sua complementarità chimica e l'effetto sugli organismi viventi diventano diversi. Cambiamenti simili ma più complessi si verificano quando si modificano le strutture delle biomolecole.
Le proprietà molecolari chimiche dipendono fortemente dalla struttura e dalle proprietà delle molecole: dai legami energetici in essa contenuti e dalla geometria della molecola stessa. Ciò è particolarmente vero nei composti biologicamente attivi. Quale reazione in competizione sarà predominante è spesso determinata solo da fattori spaziali, che a loro volta dipendono dalle molecole iniziali (la loro configurazione). Una molecola con una configurazione "scomoda" non reagirà affatto, mentre un' altra con la stessa composizione chimica ma una geometria diversa potrebbe reagire istantaneamente.
Un gran numero di processi biologici osservati durante la crescita e la riproduzione sono associati alle relazioni geometriche tra i prodotti di reazione ei materiali di partenza. Per tua informazione: l'azione di un numero considerevole di nuovi farmaci si basa su una struttura molecolare simile di un composto dannoso dal punto di vista biologico per l'organismo umano. Il farmaco prende il posto della molecola dannosa e rende difficile l'azione.
Con l'aiuto di formule chimiche si esprimono la composizione e le proprietà delle molecole di diverse sostanze. Sulla base del peso molecolare, dell'analisi chimica, viene stabilito e compilato il rapporto atomicoformula empirica.
Geometria
La determinazione della struttura geometrica di una molecola viene effettuata tenendo conto della disposizione di equilibrio dei nuclei atomici. L'energia di interazione degli atomi dipende dalla distanza tra i nuclei degli atomi. A distanze molto grandi, questa energia è zero. Quando gli atomi si avvicinano, inizia a formarsi un legame chimico. Quindi gli atomi sono fortemente attratti l'uno dall' altro.
Se c'è un'attrazione debole, non è necessaria la formazione di un legame chimico. Se gli atomi iniziano ad avvicinarsi a distanze più ravvicinate, le forze elettrostatiche repulsive iniziano ad agire tra i nuclei. Un ostacolo a una forte convergenza di atomi è l'incompatibilità dei loro gusci di elettroni interni.
Taglie
È impossibile vedere le molecole ad occhio nudo. Sono così piccoli che anche un microscopio con ingrandimento 1000x non ci aiuterà a vederli. I biologi osservano batteri piccoli fino a 0,001 mm. Ma le molecole sono centinaia e migliaia di volte più piccole.
Oggi, la struttura delle molecole di una certa sostanza è determinata da metodi di diffrazione: diffrazione di neutroni, analisi di diffrazione di raggi X. C'è anche la spettroscopia vibrazionale e il metodo paramagnetico degli elettroni. La scelta del metodo dipende dal tipo di sostanza e dalle sue condizioni.
La dimensione di una molecola è un valore condizionale, tenendo conto del guscio dell'elettrone. Il punto è la distanza degli elettroni dai nuclei atomici. Più sono grandi, meno è probabile che trovino gli elettroni della molecola. In pratica, la dimensione delle molecole può essere determinata tenendo conto della distanza di equilibrio. Questo è l'intervallo durante il quale le molecole stesse possono avvicinarsi l'una all' altra quando sono densamente imballate in un cristallo molecolare e in un liquido.
Le grandi distanze hanno molecole da attrarre e quelle piccole, al contrario, da repulsione. Pertanto, l'analisi di diffrazione dei raggi X dei cristalli molecolari aiuta a trovare le dimensioni della molecola. Utilizzando il coefficiente di diffusione, conducibilità termica e viscosità dei gas, nonché la densità di una sostanza allo stato condensato, è possibile determinare l'ordine di grandezza delle dimensioni molecolari.
